721997 DIN A5 - Festo Didactic · NorthstarTM Sensor die Position von mobilen Projektoren. Der...
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721997 DE/EN
Robotino®
Handbuch/Manual
NorthstarTM Sensor
Stand: 10/2007
Autoren: Ralph-Christoph Weber
Grafik: Doris Schwarzenberger
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2007
Internet: www.festo-didactic.com
E-Mail: [email protected]
Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und
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vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder
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The copying, distribution and utilization of this document as well as the
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authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment
of damages. All rights reserved, in particular the right to carry out
patent, utility model or ornamental design registration.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 3
Bestimmungsgemäße Verwendung _____________________________ 4
Lieferumfang _______________________________________________ 5
Funktion ___________________________________________________ 6
Montage __________________________________________________ 13
Einstellungen ______________________________________________ 16
Inbetriebnahme ____________________________________________ 19
C++ Programmierung ________________________________________ 22
Intended use ______________________________________________ 23
Scope of delivery ___________________________________________ 24
Function _______________________________________________ 25
Installation _______________________________________________ 32
Settings _______________________________________________ 35
Commissioning ____________________________________________ 38
C++ programming __________________________________________ 41
Inhalt/Contents
Deutsch
English
4 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Das mobile Robotersystem Robotino® ist ausschließlich für die Aus- und
Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und
hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die Ausbildenden
hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die
Sicherheitsvorkehrungen, die in den begleitenden Handbüchern
beschrieben sind, beachten.
Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des
Auszubildenden, des Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger
Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz der Anlage außerhalb einer reinen
Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche
Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.
Bestimmungsgemäße Verwendung
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 5
Systainer mit
– NorthstarTM Sensor mit Montagevorrichtung
– USB-Kabel
– Speicherkarte mit Betriebssystem
– Handbuch, CD mit Robotino® View
NorthstarTM Projector Kit mit
– User's Guide
– 2 Projektoren mit Montagevorrichtung
– Infrarot-Indikator
– Netzkabel
– Netzteil mit Spannungsversorgung für die Projektoren
– CD mit NorthstarTM Dokumentation und Software
Lieferumfang
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Das NorthstarTM System ist ein Infrarot-Ortungssystem, bei dem
Infrarot-Lichtpunkte als Orientierungspunkte eingesetzt werden. Ein
hochentwickelter Infrarotsensor ermittelt aus der Lage zweier
Lichtpunkte seine Position und Orientierung. Das NorthstarTM System
besteht einem NorthstarTM Projector Kit und dem NorthstarTM Sensor.
Das System besteht aus einem Sensor und einer Projektionseinheit. Der
Sensor ist ein Infrarotsensor mit auf einer Platine zur Signalverarbeitung
und einer Kommunikationsschnittstelle. Ein NorthstarTM Sensor kann
die Position von Infrarot-Lichtpunkten, die von zwei NorthstarTM
Projektoren auf eine Fläche wie beispielsweise die Raumdecke projiziert
sind, erkennen. Umgekehrt können sie die Position von Infrarot-
Lichtquellen ermitteln.
Der NorthstarTM Projektor ist eine Infrarot-Lichtquelle, die ein spezielles
Lichtmuster erzeugt. Dieses Lichtmuster kann vom NorthstarTM Sensor
erkannt und ausgewertet werden. Ein Projektor kann einen kollimierten
oder einen teilweise kollimierten Lichtstrahl aussenden. Ein kollimierter
Lichtstrahl besteht aus einem Bündel von exakt parallelen Lichtstrahlen.
Diese dienen dazu, an einer Reflektionsfläche wie zum Beispiel der
Raumdecke Lichtpunkte zu erzeugen. Der Projektor kann auch nicht
kollimiertes Licht erzeugen, das direkt ohne Reflektion, vom Sensor
erkannt wird.
Die Identifizierung von zwei oder mehr unterschiedlichen Projektoren
innerhalb eines NorthstarTM Systems wird durch unterschiedliche
Blinkfrequenzen der einzelnen Projektoren sichergestellt. So kann die
Lage der beiden Lichtpunkte zueinander für die Positionsberechnung
herangezogen werden.
Das NorthstarTM System wird zur Navigation oder zur Objektverfolgung
eingesetzt. Für die Navigation wird der Projektor fest in der Umgebung
angebracht und der Sensor ist mobil. Im Fall der Objektverfolgung ist
der Sensor fest installiert und der Projektor mobil.
Funktion
Funktion
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In der Navigationskonfiguration misst der Sensor die Positionen von
zwei Lichtpunkten, die an die Decke projiziert sind. Der Sensor
bestimmt dann die Position der einzelnen Lichtflächen in einem internen
Koordinatensystem, je nachdem wie sie auf die Fläche des Sensors
einfallen. Dieses Koordinatensystem wird als Sensorkoordinatensystem
bezeichnet. Der Sensor benutzt diese Positionen der Lichtflächen um
seine Position und Ausrichtung innerhalb eines Raum-
Koordinatensystems, das an die beiden Lichtflächen gekoppelt ist, zu
berechnen. Dieser Berechnung wird zugrunde gelegt, dass sich der
Sensor auf einer Ebene bewegt und parallel zu dieser Ebene montiert
ist.
Funktion
8 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Projektor
Northstar Sensor
Lichtpunkte
Beide Koordinatensysteme müssen rechnerisch in eine Beziehung
zueinander gesetzt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines
Kalibrierungsvorgangs. Diese Position wird als relative Position
bezeichnet, weil die Position "bezogen auf die Lichtpunkte" ist. Über
die wirkliche Position auf einer Fläche kann so keine Aussage gemacht
werden. Die ermittelte Beziehung zwischen dem Raum- und dem
Sensorkoordinaten wird beibehalten bis eine erneute Kalibrierung
durchgeführt wird.
Funktion
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Die Ausgabewerte des Sensors umfassen Lichtpunkt-ID, Position der
Lichtpunkte in Sensorkoordinaten als auch Position und Ausrichtung in
Raumkoordinaten.
In der Konfiguration zur Objektverfolgung bestimmt ein stationärer
NorthstarTM Sensor die Position von mobilen Projektoren. Der Sensor
misst die Position von einzelnen Lichtpunkten in Sensorkoordinaten
sobald diese sich innerhalb seines Erfassungsbereichs bewegen. Eine
weit verbreitete Anwendung der Objektverfolgung besteht aus einem
Projektor mit blinkender LED, der auf dem bewegten Objekt montiert ist,
und einem Sensor, der an der Decke montiert ist. In dieser Betriebsart
wird die projizierte Position des Lichts in Sensorkoordinaten
ausgegeben. Um Raumkoordinaten und Orientierung des Objekts zu
ermitteln ist es notwendig, dass das bewegte Objekt mit 2 Projektoren
ausgestattet ist.
Funktion
10 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Northstar Sensor
LED
Das NorthstarTM System unterscheidet zwischen einzelnen Lichtpunkten
in seinem Erfassungsbereich anhand unterschiedlicher Blinkfrequenzen
der einzelnen Punkte. Ein NorthstarTM Projektor erzeugt eine bestimmte
"spot-ID" indem er in gleichbleibender Frequenz blinkt. Um
aussagekräftige Messungen zu erhalten ist es entscheidend, dass alle
Frequenz-ID und Raum-ID
Funktion
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Lichtpunkte im Erfassungsbereich des Sensors mit einer eindeutig
unterscheidbaren Frequenz blinken.
Der Hersteller hat bestimmte Frequenzen festgelegt, die einen hohen
Störabstand in Umgebungen gewährleisten, die mit künstlichem Licht
beleuchtet sind. Umgebungslicht aus Wechselstromnetzen kann
Störungen in einem NorthstarTM System bei Frequenzen über den
gesamten Frequenzbereich hervorrufen. Die Problemfrequenzen für
Signalstörungen sind in 50 Hz und 60 Hz Spannungsnetzen
unterschiedlich. Die vom Hersteller ausgewählten Frequenzen sind
deshalb in drei Kategorien unterteilt: Alle Netze, 60Hz-Netz und 50Hz-
Netz.
Alle Netze:
Diese Frequenzen besitzen gleiche Störungstoleranzen in 50 Hz- als
auch 60 Hz-Netzen und sind in unterschiedlichen Länder nder Erde
getestet.
60 Hz-Netze:
Diese Frequenzen sind auf bestmögliche Störungstoleranz in Regionen
mit 60 Hz-Netzen optimiert
50 Hz-Netze:
Diese Frequenzen sind für Regionen mit 50 Hz-Netzen optimiert
Die Frequenzen jeder Gruppe sind in Tabelle 3 des Handbuchs
aufgelistet. Jeder Frequenz ist eine sogenannte Frequenz-ID zugeordnet.
Da der NorthstarTM Sensor bis zu 20 Frequenzen gleichzeitig
überwachen kann, ist der Sensor vom Hersteller so vorprogrammiert,
dass er diese sogenannten 20 Standard-Frequenz-IDs, die in der Tabelle
aufgeführt sind, automatisch erkennen kann.
Die Projektoren sind so vorprogrammiert, dass sie 32
Standardfrequenzen erzeugen können, in denen die 20 Standard-IDs
des Sensors enthalten sind.
Funktion
12 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Sogenannte Raum-IDs werden benutzt, um Lichtpunktpaare
festzulegen. Diese können vom Sensor benutzt werden um seine
Position und Ausrichtung in Raum-Koordinaten zu berechnen. Der
Sensor wird mit 10 vorprogrammierten Standard Raum-IDs, die
automatisch erkannt werden, geliefert. Diese Codes finden Sie in der
Tabelle 4 des Projektor Handbuchs.
Den Projektoren kann zugewiesen werden, in welcher dieser
Standardfrequenzen projiziert werden soll. Dies geschieht durch
Verstellen des Drehschalters SW2 und durch Einsatz der Brücke A4. Die
Einstellung entnehmen Sie bitte der Tabellen 3 und 4 des Handbuchs.
Beide Tabellen befinden sich auf Seite 17 des Handbuchs "NorthstarTM
Projector Kit User Guide.
Hinweis
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Der NorthstarTM Sensor ist einfach am Robotino® zu montieren. Er wird
in einem Gehäuse mit einer Montagevorrichtung geliefert. Diese
Vorrichtung wird in die mittleren Lüftungsschlitze des Deckels der
Kommandobrücke eingehakt und mit der Befestigungsschraube des
Deckels (Innensechskant 2,5 mm) festgeschraubt. Über das
mitgelieferte USB-Kabel wird der Sensor an die Steuerungseinheit des
Robotino® angeschlossen.
Montage
Montage
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Die NorthstarTM Projektoren müssen auf die mitgelieferten Haltebleche
montiert werden. Sie werden wie im Bild unten auf die Bolzen des
Halteblechs gedrückt bis sie eingerastet sind. Dies geschieht in 2
Schritten. Diese sind in den nachfolgenden Grafiken dargestellt.
Montage
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Die Haltebleche werden mit den mitgelieferten Rändelschrauben
miteinander verschraubt. Die Haltebleche werden in einem Winkel von
160° zueinander gestellt und fixiert. Dieser Winkel sorgt bei einem
Abstand der Decke von 2,40 m für einen Abstand der beiden
Lichtpunkte von ca. 1 m. Befestigen Sie zuerst die Schrauben für eine
Seite der Haltebleche. Legen Sie die Haltebleche dann auf die
nachfolgende Zeichnung und bringen Sie so ihre Haltebleche in den
optimalen Winkel von 160 °. Ziehen Sie die Schraube an ohne den
eingestellten Winkel zu verändern und schrauben Sie die andere Seite
der Haltebleche fest. Die montierten Projektoren können Sie dann im
Raum fest montieren oder auf den Untergrund stellen.
160°
Die Projektoren können auch einzeln im Raum aufgestellt oder montiert
werden. Dabei müssen Sie durch Experimentieren Befestigungspunkte
ermitteln, die eine ausreichend genaue Ortung und Navigation
ermöglichen. Dies muss durch Ausprobieren im laufenden System
geschehen, da die Infrarot-Lichtstrahlen nicht sichtbar sind. Hierzu
können Sie auch andere Träger als die mitgelieferten Haltebleche
verwenden.
In allen Fällen ist darauf zu achten, dass keine Ablenkung oder
Behinderung der Lichtstrahlen durch beispielsweise Wände oder Möbel
entsteht. Das NorthstarTM System sollte vor starken Lichtquellen oder
auch direkter Sonneneinstrahlung geschützt sein.
16 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Für die Arbeit mit Robotino® sollte der Standard-Raum ID 0 verwendet
werden. Dies geschieht mit Hilfe des Drehschalter SW2, der sich auf der
Platine der Projektoren befindet. Er ist auf der nachfolgenden Grafik
durch einen Kreis markiert.
Stellen Sie hierzu den Drehschalter SW2 des einen Projektors auf die
Position 0.
ProjectorPendingRobotics
NorthstarDeveloper
0
Einstellungen
Einstellungen
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Stellen Sie den Drehschalter des zweiten Projektors auf die Position 8.
ProjectorPendingRobotics
NorthstarDeveloper 8
Diese Einstellungen entsprechen den Standardfrequenzen ID 0 und ID 8.
Diese Konfiguration dieser Frequenzen wird vom NorthstarTM Sensor
automatisch als Raum 0 erkannt.
Prüfen Sie nun die Funktion der Projektoren. Schließen Sie diese mit
Hilfe des mitgelieferten Netzteils und dem beiliegenden Kabel und dem
Y-Verteilerstück an die Spannungsversorgung an. Da die Dioden Infrarot
licht erzeugen, können Sie deren Funktion mit bloßem Auge nicht
erkennen. Aus diesem Grund ist das Projektor-Kit ein Infrarotindikator
beigelegt. Legen Sie diesen einige Minuten in das Licht einer
Leuchtstoffröhre oder in Sonnenlicht. Halten Sie den Indikator
anschließend ca. 2 cm über die Linse eines Projektors. Sie sehen nun
eine schwache rosa Lichtfläche für jede LED auf der gelben Fläche des
Indikators. Da die Lichtpunkte sehr schwach zu erkennen sind, löschen
Sie gegebenenfalls die Raumbeleuchtung um die Lichtpunkte deutlicher
erkennen zu können.
Montieren Sie die Projektoren so, dass Sie die Lichtpunkte über der
Fahrfläche des Robotino® projizieren oder stellen Sie sie einfach auf den
Untergrund.
Prüfen Sie, ob der Sensor an die USB-Schnittstelle angeschlossen ist.
Funktionsprüfung
Einstellungen
18 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Bevor Sie den Robotino® starten und den NorthstarTM Sensor einsetzen
können, müssen Sie das dazugehörige Betriebssystem des Robotino®
und die entsprechende Version von Robotino® View installieren. Das
Betriebssystem befindet sich auf der mitgelieferten Compact-Flash
Karte. Entfernen Sie die im Robotino® befindliche Speicherkarte indem
Sie auf den Auswurfknopf drücken damit die Speicherkarte
ausgeschoben wird. Entnehmen Sie die Speicherkarte. Stecken Sie die
mitgelieferte Speicherkarte in den Einschubschacht und drücken Sie sie
vollständig hinein.
Die zugehörige Version von Robotino® View befindet sich auf der
mitgelieferten CD. Führen Sie die Setup-Datei aus und installieren Sie
sie Robotino® View auf Ihrem Rechner.
Ihr System ist hiermit startbereit. Starten Sie den Robotino® und stellen
Sie eine WLAN-Verbindung zum Robotino® her und starten Sie
Robotino® View.
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Stellen Sie den Robotino® so auf, dass er sich unterhalb der Lichtpunkte
des Projektors befindet. Ziehen Sie aus der Bibliothek Robotino®
Hardware einen Funktionsblock „NStar“ auf die Arbeitsfläche. Starten
Sie das Programm und öffnen Sie den Funktionsblockdialog. Stellen Sie
nötigenfalls mit der Auswahlbox für Räume auf 0. Sind die
Balkenanzeigen für Spot 1 und Spot 2 sichtbar, erkennt der Sensor die
Lichtpunkte. Seine Funktion ist damit gewährleistet.
Als nächstes muss der NorthstarTM Sensor kalibriert werden. Dabei
werden die Sensorkoordinaten zu Raumkoordinaten umgerechnet. Der
mitgelieferten Robotino®-Version liegt ein Kalibrierungsprogramm bei
(Menüeintrag im Startmenu: NorthstarTM Calibration). Rufen Sie dieses
Programm auf und folgen Sie den Anweisungen am Bildschirm. Dieses
Programm besteht aus 6 Schritten in denen der Robotino® ein Quadrat
mit einer Seitenlänge von 50 cm abfährt und sich 2 Mal um jeweils 180
Grad dreht. Aus den gewonnen Daten wird das Raumkoordinatensystem
errechnet und im Sensor gespeichert.
Hierzu wird eine Fläche benötigt, die das Abfahren eines Quadrats mit
der Seitenlänge von 50 cm von der Startposition aus ermöglicht. Die
Startposition für diesen Vorgang sollte nach möglichst unterhalb der
vom Projektor erzeugten Lichtpunkte liegen. Wenn Sie die Projektoren
auf der Fahrfläche abgelegt haben, muss die Referenzfahrt so gewählt
werden, dass die Projektoren dabei nicht beschädigt oder verschoben
werden.
Der Robotino® führt beim Kalibrierungsprogramm folgende
Bewegungen nacheinander aus:
1. 50 cm vorwärts
2. 50 cm nach links
3. 50 cm rückwärts
4. 50 cm nach rechts
5. Drehung von 180° um die eigene Achse
6. Drehung von 180° um die eigene Achse
Inbetriebnahme
Kalibrierung
Hinweis
Inbetriebnahme
20 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Durch das WLAN-Netz und durch die Beschaffenheit des Untergrundes
können Ungenauigkeiten im Fahrverhalten des Robotino® entstehen. Es
ist deshalb nötig, die gefahrene Strecke und die Gradanzahl der
Umdrehungen zu überprüfen.
Gehen Sie dazu folgendermaßen vor: Zeichnen Sie auf dem Untergrund
ein Quadrat mit der Seitenlänge von 50 cm auf. Stellen Sie den
Robotino® an der rechten unteren Ecke des Quadrats so auf, dass die
Schweißnaht hinten am Chassis sich exakt über dieser Ecke des
Quadrats befindet.
Schalten Sie die Projektoren und den Robotino® ein und starten Sie das
Kalibrierungsprogramm.
Hat der Robotino® seine Vorwärtsfahrt beendet, prüfen Sie die Länge
der gefahrenen Strecke. Befindet sich nun die Schweißnaht nicht exakt
über der rechten oberen Ecke des Quadrats, bewegen Sie den
Robotino® von Hand genau an diesen Punkt. Betätigen Sie nun
irgendeine Taste der Tastatur. Hiermit wird die aktuelle Position des
NorthstarTM Sensors gespeichert. Führen Sie diese Prüfung für alle
Positionen des Quadrats und alle Drehbewegungen durch. Nach
Abschluss des Kalibrierungsprogramms ist das
Raumkoordinatensystem berechnet. Überprüfen Sie die Funktion des
NorthstarTM Systems mit Hilfe des mitgelieferten Beispielprogramms
(Northstar.rvw).
Mit Robotino® View wird ein Beispielprogramm mitgeliefert, mit dem Sie
die Funktionsweise des NorthstarTM Systems veranschaulichen und
prüfen können. Öffnen Sie das Beispielprogramm „Northstar.rvm“. Es
befindet sich im Ordner „Examples“.
Erweitern Sie das Programm durch eine Konstante, die Sie jeweils mit
dem Prioritätseingang aller drei Motoren verbinden. Nennen Sie die
Konstante „Start“. Setzen Sie den Wert von „Start“ auf den
Wert 0.
Starten Sie das Programm.
Inbetriebnahme
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 21
Öffnen Sie das Parameterfeld des Funktionsblocks „NStar“
Klicken Sie auf die Schaltfläche „Ursprung setzen“. Damit wird die
aktuelle Position von Robotino® als der Nullpunkt des Raum-
Koordinatensystems festgelegt.
Im Parameterdialog des Funktionsblocks „MapBuilder“ erhalten Sie
daraufhin folgende Darstellung:
Setzen Sie jetzt die Konstante „Start“ auf 1.
Das blaue Feld markiert die Soll-Orientierung und Soll-Position von
Robotino®.
Verschieben Sie mit der Maus die Soll-Lage. Dann bewegt sich
Robotino® in die gewünschte neue Lage. Weitere Informationen finden
Sie in der Hilfe zu den Funktionsblöcken.
22 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Zum Update Ihrer API-Schnittstelle öffnen Sie die Web Seite
openrobotino.org und laden sich die aktuelle API auf Ihren PC.
C++ Programmierung
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The Robotino® mobile robot system has been developed and produced
solely for vocational and further training purposes in the field of
automation and technology. The training companies and/or trainers
must ensure that trainees observe the safety precautions specified in
the accompanying manuals.
Festo Didactic herewith excludes any liability for damage or injury
caused to trainees, the training company and/or any third party, which
may occur if the system is in use for purposes other than purely for
training, unless the said damage/injury has been caused by Festo
Didactic deliberately or through gross negligence.
Intended use
24 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Systainer with:
– NorthstarTM Sensor with mounting fixture
– USB cable
– Memory card with operating system
– Manual, CD with Robotino® View
NorthstarTM projector kit with:
– User’s guide
– 2 projectors with mounting fixtures
– Infrared indicator
– Power cable
– Power pack for supplying power to the projectors
– CD with NorthstarTM documentation and software
Scope of delivery
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 25
NorthstarTM is an infrared tracking system which makes use of infrared
light spots as points of orientation. A sophisticated infrared sensor
ascertains its position and orientation based upon the location of two
light spots. The NorthstarTM system consists of a NorthstarTM projector
kit and the NorthstarTM sensor.
The system is comprised of a sensor and a projector. The sensor is an
infrared sensor with a PCB for signal processing and a communications
interface. NorthstarTM sensors are capable of detecting the positions of
infrared light spots which are projected onto a surface, for example the
ceiling of a room, by two NorthstarTM projectors. Conversely, they can
also ascertain the positions of infrared light sources.
The NorthstarTM projector is an infrared light source which creates a
special light pattern. This light pattern can be detected and evaluated
by the NorthstarTM sensor. The projector is capable of emitting a
collimated or a partially collimated light beam. A collimated light beam
consists of a collection of truly parallel light beams. These are used to
create spots of light on a reflective surface, for example the ceiling of a
room. The projector can also generate non-collimated light which is
detected directly by the sensor without being reflected.
Differentiation amongst two or more different projectors within a given
NorthstarTM system is ensured by using different flashing frequencies at
the individual projectors. The location of the two spots of light relative
to each other can thus be used in order to determine position.
The NorthstarTM system is used for navigation or for object tracking. For
navigation purposes, the projector is mounted in a stationary fashion
within the application’s surroundings, but the sensor is mobile. In the
case of object tracking, the sensor is installed in a stationary fashion
and the projector is mobile.
Function
Function
26 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
When configured for navigation, the sensor measures the positions of two
light spots which are projected onto the ceiling. The sensor then
ascertains the positions of the individual light spots within an internal
coordinate system, depending upon how they strike the surface of the
sensor. The coordinate system is called a sensor coordinate system. The
sensor uses the positions of the light spots in order to calculate its own
position and orientation within a spatial coordinate system, which is
coupled to the two light spots. Calculation is based upon the fact that the
sensor moves within a single plane, and is mounted parallel to this plane.
Function
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 27
The two coordinate systems must be related to one another
mathematically. This is accomplished by means of a calibration
procedure. The position is designated relative position, because it is
“relative to the light spots”. Thus no statement can be made regarding
absolute position on a surface. The calculated relationship between the
spatial coordinate system and the sensor coordinate system is retained
until a new calibration is executed.
Projector
Northstar sensor
Light spots
Function
28 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
The values read out by the sensor include light spot ID and position of
the light spots expressed in terms of sensor coordinates, as well as
position and orientation expressed in spatial coordinates.
When configured for object tracking, a stationary NorthstarTM sensor
ascertains the position of mobile projectors. The sensor measures the
positions of individual light spots expressed in terms of sensor
coordinates as soon as they move within its detection range. A very
common application for object tracking consists of a projector with a
flashing LED which is mounted on the moving object, and a sensor
which is mounted on the ceiling. In this operating mode, the projected
position of the light is read out in terms of sensor coordinates. In order
to ascertain the object’s spatial coordinates and orientation, the moving
object must be equipped with two projectors.
Function
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 29
The NorthstarTM system differentiates between individual light spots
within its detection range on the basis of the different flashing
frequencies used for the individual spots. A NorthstarTM projector
generates a specific “spot ID” by flashing at a constant frequency. In
order to obtain meaningful measurements, it must be ensured that all of
Frequency and room ID
Northstar sensor
LED
Function
30 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
the light spots within the sensor’s detection range flash at a unique,
distinguishable frequency.
The manufacturer has selected certain frequencies that ensure a large
signal-to-noise ratio in areas which are illuminated with artificial light.
Ambient light from alternating current systems may cause interference
within the NorthstarTM system over the entire frequency range. The
frequencies which are problematic for signal interference are different in
50 and 60 Hz electrical systems. The frequencies selected by the
manufacturer are thus subdivided into three categories: all systems,
60 Hz systems and 50 Hz systems.
All systems:
These frequencies have the same interference tolerances in 50 as well
as 60 Hz systems, and have been tested in various countries throughout
the world.
60 Hz systems:
These frequencies are optimised for best possible interference
tolerance in regions with 60 Hz systems.
50 Hz systems:
These frequencies are optimised for regions with 50 Hz systems.
The frequencies for each group are listed in table 3 in the manual. A so-
called frequency ID is assigned to each frequency.
Due to the fact that the NorthstarTM sensor can monitor up to 20
frequencies at a time, it is pre-programmed by the manufacturer such
that it automatically recognises the 20 so-called standard frequencies
which are listed in the table.
The projectors are pre-programmed such that they are capable of
generating 32 standard frequencies, which include the sensor’s 20
standard IDs.
Function
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 31
So-called room IDs are used in order to set up a pair of light spots.
These can be used by the sensor in order to calculate its own position
and orientation expressed in terms of spatial coordinates. The sensor is
supplied with 10 pre-programmed standard room IDs which are
recognised automatically. These codes are included in table 4 in the
projector manual.
The user determines which of the standard frequencies is used by each
projector to project its respective light spot. This is accomplished by
setting rotary switch SW2 and with the aid of a bridge A4. Refer to
tables 3 and 4 in the manual regarding the individual settings.
Both tables are included on page 17 of the NorthstarTM Projector Kit
User Guide.
Note
32 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
The NorthstarTM sensor can be easily mounted to Robotino®. It is
supplied in a housing with a mounting fixture. This fixture is latched
onto the middle ventilation slot in the command bridge cover, and is
secured via the cover mounting screw (2.5 mm internal hex). The sensor
is connected to the Robotino® controller unit via the included USB
cable.
Installation
Installation
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The NorthstarTM projectors must be fitted on the retaining plates
included. They are pressed onto the studs on the retaining plate as
shown in the picture below, until they snap into place. This is
accomplished in 2 steps which are depicted in the following pictures.
Installation
34 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
The retaining plates are attached to each other with the knurled screws
included. They are aligned to each other at an angle of 160°, and then
secured. With a distance to the ceiling of 2.40 metres, this angle
ensures a distance of approximately 1 metre between the two light
spots. First, insert a screw on one side of the retaining plates. Set the
retaining plates onto the following drawing and adjust them to the ideal
angle of 160°. Tighten the screw without changing the angle, and then
secure the other side of the retaining plates with a second screw. The
mounted projectors can then be permanently installed in the room, or
can be set onto the floor.
160°
The projectors can also be set up or installed individually in the room. In
this case, you’ll have to find suitable mounting positions by means of
trial and error, which allow for sufficiently accurate tracking and
navigation. This has to be tested while the system is actually in use,
because the infrared light beams are not visible to the human eye. In
such cases, other holders can be used instead of the retaining plates.
In any event, it must be ensured that the light beams cannot be
deflected or obstructed, for example by walls or furniture. The
NorthstarTM system should not be exposed to powerful light sources or
direct sunlight.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 35
Standard room ID 0 should be used when working with Robotino®. This
setting is selected using rotary switch SW2 which is located on the
projector’s PCB. It is identified in the following picture by means of a red
circle.
Set rotary switch SW2 to position 0 at one of the projectors.
Settings
ProjectorPendin
g Robotic
s
NorthstarDevelope
r 0
Settings
36 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Set the rotary switch at the second projector to position 8.
These settings correspond to standard frequency IDs 0 and 8. The
frequency configuration is automatically recognised by the NorthstarTM
sensor as room 0.
Now check the projectors for correct functioning. Connect them to the
power supply using the included power pack, cable and Y adapter. Due
to the fact that the diodes emit infrared light, you cannot see if they are
working with the naked eye. For this reason an infrared indicator is
included with the projector kit. Expose the indicator to light from a
fluorescent lamp or sunlight for several minutes. Then hold the indicator
approximately 2 cm above the lens of one of the projectors. A faint pink
area appears for each LED at the yellow surface on the indicator. Due to
the fact that these light spots are difficult to see, turn off any room
lighting first in order to make them more plainly discernable.
Mount the projectors such that the light spots are projected above the
surface on which Robotino® will be operated, or simply place them onto
the floor.
Make sure that the sensor is connected to the USB port.
Function Test
Project
or Pendin
g Robotic
s
Northst
ar Develope
r
8
Settings
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor 37
Before activating Robotino® and the NorthstarTM sensor, you’ll have to
install the Robotino® operating system and the corresponding version
of Robotino® View. The operating system is included on the compact
flash card provided. Removal of the memory card from Robotino® is
achieved by pressing the eject button. Remove the memory card. Insert
the included memory card into the slot, making sure it is pushed all the
way in.
The corresponding version of Robotino® View is provided on the
included CD. Run the setup file and install Robotino® View on your PC.
Your system is now ready for operation. Start Robotino®, establish a
WLAN connection to Robotino® and start Robotino® View.
38 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • NorthstarTM Sensor
Position Robotino® underneath the light spots generated by the
projector. Drag an “NStar” function block from the Robotino® hardware
library onto the working surface. Start the program and open the
function block dialogue. If necessary, select “Room 0” with the room
selection box. If the bar graph displays are visible for spots 1 and 2, the
sensor has detected the light spots. Correct functioning of the sensor is
thus assured.
The NorthstarTM sensor must now be calibrated. In order to achieve this,
sensor coordinates are converted to spatial coordinates. A calibration
program is included with Robotino® (identified as “NorthstarTM
Calibration” in the start menu). Start this program and follow the
instructions on the screen. The program consists of 6 steps which cause
Robotino® to traverse a square with a width of 50 cm, and to make two
180° turns. The spatial coordinate system is calculated on the basis of
data acquired in this way, and is stored to the sensor.
A surface is required that facilitates travel from the starting position
around a square with a width of 50 cm. If at all possible, the starting
position for this procedure should be located beneath the light spots
generated by the projector. If the projectors have been placed on the
travel surface, movement during homing must be selected such that the
projectors are not damaged or moved.
Robotino® executes the following motion sequence after the calibration
program has been started:
1 50 cm forward
2 50 cm to the left
3 50 cm backwards
4 50 cm to the right
5 180° turn around own axis
6 180° turn around own axis
Commissioning
Calibration
Note
Commissioning
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Robotino’s® travel performance may be rendered inaccurate due to the
WLAN network and the quality of the floor. It is thus essential to check
the distances travelled and the number of degrees of rotation executed
during the calibration sequence.
Proceed as follows: Draw a square on the floor with a width of 50 cm.
Position Robotino® on the floor such that the welding seam at the back
of the chassis is precisely above the right-hand bottom corner of the
square.
Switch the projectors and Robotino® on, and start the calibration
program.
After Robotino® has completed forward travel, check the travelled
distance. If the welding seam is not located precisely above the right-
hand top corner of the square, move Robotino® by hand to exactly this
point. Press any key on the keyboard. The current position of the
NorthstarTM sensor is saved to memory. Repeat this test for all of the
positions on the square, and for all turns. The spatial coordinate system
is calculated after the calibration program has been completed. Check
the NorthstarTM system for correct functioning with the help of the
included sample program (Northstar.rvw).
A sample program is included with Robotino® View, by means of which
the NorthstarTM system’s mode of operation can be visualised and
tested. Start the sample program (Northstar.rvm). The corresponding
file is located in the “Examples” directory.
Add a constant to the program which is linked to the priority input of all
three motors. Name the constant “Start”. Set the value of “Start” to 0.
Start the program.
Commissioning
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Open the parameters field for the “NStar” function block.
Click the “Set Origin” button. Robotino’s® current position is thus set as
the zero point within the spatial coordinate system.
The following display then appears in the parameters dialogue for the
“MapBuilder” function block:
Set the “Start” constant to 1.
The blue field indicates Robotino’s® desired orientation and position.
Change the desired position with the mouse. Robotino® moves to the
new desired position. Further information regarding the function blocks
can be accessed via the help function.
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In order to update your API interface, go to the website
openrobotino.org and download the current API to your PC.
C++ programming
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