Die Ballschussvorrichtung David hat die Form eines überdimensionierten Fußballschuhs. Sie

Die Ballschussvorrichtung David hat die Form eines überdimensionierten Fußballschuhs. Sie schleudert Fußbälle mit hoher Geschwindigkeit und Trefferquote heraus.

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. Beides sind Projekte des Instituts für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität Stuttgart. Sie haben das Ziel, Jugendliche für ein Studium der Ingenieurwissenschaften zu begeistern. 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 Professor 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 und mit Hilfe leistungsfähiger Industriepartner diese Wette zu gewinnen.

Intelligente Kooperation

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.

Blitzschnell und sehr zuverlässig bewegt sich der Robotertorwart Goalias von SEW

Blitzschnell und sehr zuverlässig bewegt sich der Robotertorwart Goalias. Um das 7,32 Meter breite und 2,44 Meter hohe Tor abzudecken, hat er gerade mal 400 Millisekunden Zeit.

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 etwa 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.

Ballerkennung und Berechnung der Flugbahn

SEW Golias Linearführungsschiene mit Zahnriemen und Schlitten

Die schnelle Bewegung des Torwarts Goalias erfolgt über eine Linearführungsschiene mit Zahnriemen und Schlitten, auf dem der Torwart befestigt ist. Am Ende des Verfahrwegs sind Sicherheitsstoßdämpfer angebracht.

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 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 Sekunden ins Eck kommen.

Visualisierungskonzept: Immer im Bilde

Damit die Zuschauer etwas sehen und zusätzliche Informationen erhalten können, erarbeiteten die IAS-Mitarbeiter ein Visualisierungskonzept, das alle relevanten Daten liefert. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde die Visualisierungssoftware erstellt. Sie erhält über einen CAN-Bus die Schussgeschwindigkeit sowie über ein Eingabemedium Name und Alter des Schützen. Mit diesen Informationen wird eine Statistik erstellt und jeder Schütze kann sich somit mit anderen vergleichen.

SEW Goalias Die Ballschussvorrichtung David hat die Form eines überdimensionierten Fußballschuhs.

Die Ballschussvorrichtung David hat die Form eines überdimensionierten Fußballschuhs. Zwei Linearzylinder CMS 50 S ermöglichen die winkelsynchrone Verstellung des vertikalen Neigungswinkels.

Mit Hilfe (mindestens) einer angeschlossenen Kamera kann man die Zeitlupe des Schusses wiedergeben und die Flugbahn des Balls anzeigen. Über den CAN-Bus werden auch Daten gesendet, die über das optoelektronische Ausgabemedium angezeigt werden sollen.

Mikrocontrollerbasierte Steuerung: Umfassende Befehlsgewalt

Die Koordination des Gesamtablaufs übernimmt eine mikrocontrollerbasierte Steuerung. Die Studenten sollten hier mit einer industrietypischen Hardware arbeiten, die sie auch später in der Praxis wiederfinden. Daher wurde ein Mehrkernprozessor TriCore TC1130 von Infineon eingesetzt. Er enthält einen 32-Bit-Mikrocontroller, einen Mikroprozessor sowie einen Digitalen Signalprozessor zur Anbindung von Sensoren.

Dieser „3-in-1“-Chip wird in der Automatisierungstechnik eingesetzt, beispielsweise für eingebettete Systeme in der Automobilindustrie. Die verwendete Software ist ein objektorientiertes Programm, das in C++ geschrieben wurde. Die Kommunikation mit dem Antriebscontroller erfolgt über den CAN-Bus.

Hochdynamische Positionierung: Muskeln mit Hirn

Goalias muss sich sehr schnell bewegen können, damit er die schnellen Schüsse der Fußballer halten kann. Höchstes Tempo und gleichzeitig Präzision und Robustheit sind Anforderungen, die die Antriebstechnik hier erfüllen muss. Zur Realisierung der translatorischen Bewegung wird eine Führungsschiene verwendet, in der ein Zahnriemen mit Schlitten verläuft, auf dem der Torwart befestigt ist. Als Antrieb kam ein hochdynamischer Servoverstärker von SEW zum Einsatz, der die Stellvorgaben der Regelung mit hohem Drehmoment realisiert. Der Umrichter Moviaxis hat 85 Kilowatt Nennleistung und eine Überlastfähigkeit bis 250 Prozent.

SEW Goalias Servoumrichter Moviaxis

Der Servoumrichter Moviaxis und weitere elektrische Komponenten befinden sich in einem separaten Schaltschrank.

Das Antriebssystem erzielt eine maximale Beschleunigung bis zur achtfachen Erdanziehungskraft. Es hat 300 bis 400 Millisekunden Zeit, um den Ball zu erfassen und auf die richtige Position zu fahren. Der gesamte Verfahrweg beträgt 7,30 Meter , wobei der Torwart immer von der Tormitte aus startet. Der Antrieb beschleunigt von hier aus bis auf 60 km/h und bremst bis zum Pfosten wieder auf Null ab. Dabei fährt er die Position millimetergenau an.

Insgesamt können im Tor 32 Positionen angefahren werden. Das intelligente Servoverstärker-System Moviaxis besteht aus einem Achsmodul mit frei verschaltbarer Funktionalität sowie einem Versorgungsmodul. Es versorgt die angeschlossene Achse mit Energie. Zusammen mit anderen Goalias-Komponenten findet der Servoumrichter in einem Schaltschrank Platz.

Dynamische Antriebstechnik: Technische Höchstleistung

In der Ballschussmaschine kommen Standard-Antriebskomponenten zum Einsatz. Das Herzstück der Anlage bilden zwei 5,5-kW-Asynchronmaschinen von SEW. Die Beschleunigung erfolgt über zwei parallel laufende Zahnriemen im Inneren der Maschine. Jeder Motor wird über einen separaten Servoumrichter Moviaxis angesteuert. Dadurch kann man die Bänder unterschiedlich schnell laufen lassen und somit die Bälle anschneiden und Bananenflanken sowie über eine Mauer schießen.

SEW Goalias Bedienung per Tablet-PC

Per Tabletcomputer wählt der Bediener aus, wo genau der Ball im Tor landen soll.

Per Tabletcomputer wählt der Bediener aus, wo genau der Ball im Tor landen soll. Dabei hat er verschiedene Möglichkeiten: Er kann eine Mauer einbauen und die Ballschussgeschwindigkeit variieren.

Wählt er die Schussstärke Jugend, schießt David etwa 80 km/h schnell, bei Regionalliga bis 100 km/h und bei der Bundesliga bis zu stolzen 120 km/h. In der Championsleague können die Bälle sogar eine Mündungsgeschwindigkeit bis 140 km/h erreichen. Wenn David seine jeweilige Nenngeschwindigkeit erreicht hat, leuchtet eine grüne Lampe auf und der Bediener kann den Ball einlegen.

In der Maschine arbeiten auch noch weitere Antriebe von SEW. Zwei Linearzylinder CMS 50 S ermöglichen die winkelsynchrone Verstellung des vertikalen Neigungswinkels. Mit Hilfe eines asynchronen Getriebemotors kann sich die gesamte Maschine auch um ihre vertikale Längsachse drehen.

Ein weiterer Antrieb kann die Bänder noch um ihre Mittelachse drehen. Die Umrichter und weitere elektrische Komponenten befinden sich in einem separaten Schaltschrank. Die komplette Ansteuerung der Achsen erfolgt per Tablet-PC über den Microcontroller und CAN-Bus.

Autor: Gunthart Mau, Referent Fachpresse, SEW-Eurodrive

www.sew-eurodrive.de