Servoantrieb

Automatisierter Torhüter wehrt jeden Ball erfolgreich ab

| Autor / Redakteur: Gunthart Mau / Sariana Kunze

(SEW)

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David gegen Goalias oder anders gesagt: Ballschussmaschine gegen automatisierten Torhüter. Das klingt nicht nur spektakulär, sondern ist es auch. Denn Goalias ist der beste Torhüter der Welt, er lässt – frei von Schulterproblemen – keinen Ball ins Tor. Die beiden Projekte wurden vom Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität Stuttgart in Leben gerufen. Sie verfolgen das Ziel, Jugendliche für ein Studium der Ingenieurwissenschaften zu begeistern.

Goalias ist einer der besten Torhüter der Welt – und David einer der besten Elf-Meter-Schützen. Ein automatisierter Torhüter soll Elfmeterschüsse von Fußballprofis halten und eine Ballschussmaschine versucht, ihn bei 140 km/h an seine Grenzen bringen. Mit im Spiel: Bildverarbeitung und Regelungstechnik sowie Antriebstechnik von SEW-Eurodrive.

Alles begann mit einer Wette. Sie bildete die Vorlage für ein herausforderndes Projekt am Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik (IAS) der Uni Stuttgart. Sein Direktor Prof. Peter Göhner nahm die Herausforderung an, einen automatisierten Torhüter für ein echtes Fußballtor zu entwickeln. Erste Berechnungen zur Machbarkeit zeigen, dass insbesondere an die Ballerkennung und die Antriebstechnik hohe Anforderungen gestellt werden. Doch das IAS war zuversichtlich, dank seines Know-hows diese Wette zu gewinnen.

Vision, Regelungs- und Antriebstechnik schließen Zufallstreffer aus

Goalias ist ein mechatronischer Torwart, eine mannshohe Kunststoffplatte mit aufgemaltem Gesicht, Trikot und Hose. Die Technik dahinter erkennt in weniger als einer halben Sekunde einen anfliegenden Ball, berechnet seinen voraussichtlichen Auftreffpunkt im Tor und positioniert dort so schnell wie möglich den Torwart. Der Begriff Goalias, zusammengesetzt aus goal (Tor) und IAS (Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik), assoziiert den Namen des biblischen Riesen Goliath. Auch das, was der an der Universität Stuttgart geschaffene Fußballroboter kann, erfordert Stärke und Schnelligkeit: er hält Fußbälle, die mit 140 km/h angeschossen kommen. Mehrere technische Teilsysteme helfen ihm dabei.

Das ganze System funktioniert folgendermaßen: Vom Elfmeterpunkt aus wird der Ball abgeschossen. Ein Hochgeschwindigkeits-Bilderfassungssystem mit vier Kameras lokalisiert ihn und berechnet anhand der aufgenommenen Bilder die Flugbahn. Die vorausberechnete Stelle, wo der Ball ins Tor fliegen wird, leitet die Kamera an eine mikrocontrollerbasierte Steuerung weiter. Sie berechnet die anzufahrende Position und übermittelt sie an einen hochdynamischen Positionierantrieb, der sie schnell und präzise anfährt. Zuschauer bekommen davon praktisch nichts mit. Sie sehen nur, dass sich der Torwart blitzschnell in Bewegung setzt: Mit bis zu 15,2 m/s kann Goalias zur Seite „springen“. Dabei beschleunigt und bremst der Keeper mit achtfacher Erdbeschleunigung (80 m/s2)! Aufrecht stehend wehrt er den Ball mit seinem Körper ab. Innerhalb von zwei Jahren wurden ca. 15.000 Schüsse auf sein Tor abgegeben, von denen er etwa 93 Prozent halten konnte. Die Chancen, ihn zu überlisten, sind also nicht sehr groß.

Reaktion in Echtzeit ist das A und O

Dr.-Ing. Christoph Malz, ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am IAS, erläutert: „Das System Goalias muss sehr schnell reagieren können, denn es hat nur 400 ms Zeit, um den Ball zu erkennen, den Auftreffpunkt im Tor zu berechnen und sich dort hin zu bewegen.“ Und er ergänzt: „Der Ball hat nichts Außergewöhnliches, außer dass er schwarz ist. Wir konzentrieren uns bei diesem Projekt auf die Erkennung schwarzer Objekte.“ Insgesamt vier schnelle Hochleistungskameras – zwei im Spielfeld und zwei an den Torpfosten – nehmen aus unterschiedlichen Winkeln die Flugbahn des Balls auf. Hiermit ermittelt das System während eines Schusses die aktuelle Ballposition. Dabei werden die Flugbahn in Richtung auf den Torwart und die Flughöhe ausgewertet. Beispielsweise muss auch berücksichtigt werden, dass der Ball angedreht ist. Entsprechend aufwändig gestalten sich die Bilderkennung und -auswertung.

Pro Sekunde nehmen die Kameras vom Typ EyeSpector 2100 von SEW bis zu 150 Bilder auf, suchen auf jedem Bild den Ball und verfolgen ihn während des Schusses. Die Kameras haben einen integrierten Signalprozessor, 782 x 582 Pixel Auflösung und eine hohe Bildaufnahmefrequenz von 55 Frames pro Sekunde im Vollbildmodus. Weil alle Berechnungen sehr schnell erfolgen müssen, wird die Zeit zur Bilderfassung und Ballerkennung optimiert. Deshalb nehmen die Kameras nicht immer ein Vollbild auf, sondern werten nur einen bestimmten Bereich des Bildes aus. Der jeweils gültige Bereich wird für jedes neue Bild auf Basis der Position im vorigen Bild neu berechnet. Aus den Bilddaten wird die aktuelle Position des Balls ermittelt und per Koordinatentransformation in das globale Koordinatensystem umgerechnet. Diese Daten gelangen über eine schnelle RS-232-Verbindung an die zentrale, mikrocontrollerbasierte Steuerung. Eine selbst entwickelte Software wertet sie aus, berechnet online die Flugbahn und sagt den Auftreffpunkt des Balls im Tor voraus. Noch während des Schusses korrigiert die Software das Ergebnis immer wieder und passt die Position an. Der Torwart wird entsprechend nachjustiert. Wenn er 120 km/h schnelle Schüsse halten soll, muss er aus der Tormitte – seiner Ruheposition – in 0,4 s ins Eck kommen.

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