Automatisierter Torhüter wehrt jeden Ball erfolgreich ab

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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.

Software sagt Auftreffpunkt des Balls im Tor voraus

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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