Das Runde muss bekanntlich ins Eckige. Doch nicht mit ‘RoboKeeper’, eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Materialfluss und Logistik (IML) in Dortmund. Der künstliche Torwart geht in den meisten Fällen als Sieger vom Platz – und das bei Fußballern aller Leistungsniveaus.

Die Randbedingungen des 2005 gestarteten Projekts unterscheiden sich von denen eines realen Fußballspiels: Der Schütze tritt aus rund 9 m an und das Tor misst 2 x 4 m². Der wissenschaftliche Mitarbeiter Thomas Albrecht beim Fraunhofer IML und Projektleiter der ‘RoboKeeper’-Entwicklung erläutert: “Ziel der Entwicklung war es, die Bälle auch dann noch sicher zu halten, wenn sie mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h flach in die rechte oder linke untere Torecke geschossen werden.” Das entspreche der maximalen Entfernung für den Torwart, der beim Schuss aufrecht in der Tormitte steht. Bei dieser Geschwindigkeit beträgt die reine Flugzeit des Balls laut Albrecht etwa 360 ms.

“In dieser Zeit muss die voraussichtliche Flugbahn und der Eintreffpunkt des Balls in der Torebene extrapoliert werden und die komplette Bewegung des Torwarts inklusive aller Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge des Motors abgeschlossen sein, um einen Treffer zu verhindern”, sagt Albrecht. Die Genauigkeits-Anforderungen liegen dabei im Bereich einiger Zentimeter, da es nicht entscheidend ist, dass die Torwartfigur den Ball mittig hält: “Der ‘RoboKeeper’ muss den Ball nur so treffen, dass er abgewehrt wird und nicht im Tor landet.”

Schnelle Bildverarbeitung

Zwei Prosilica-Flächenkameras von Allied Vision sind die “Augen” des ‘RoboKeepers’.

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Als “Augen” dienen dem Roboter-Torwart ein schnelles Bildverarbeitungssystem. Seitlich oberhalb des Tores sind zwei Farb-Flächenkameras vom Typ ‘Prosilica’ von Allied Vision Technologies mit Gigabit-Ethernet-Schnittstellen und einer Auflösung von 659 x 493 Bildpunkten angebracht. Sie nehmen den Ball ins Visier und verfolgen dessen Flugbahn. Der Ball muss sich dabei farblich von der Umgebung abheben.

Die Kameras liefern jeweils bis zu 90 Bilder pro Sekunde, die im Anschluss von einer vom Fraunhofer IML entwickelten Bildverarbeitungssoftware auf einem Dual-Core-Prozessor-System von Kontron ausgewertet werden. Wird bei der Auswertung von drei aufeinanderfolgenden Bildern eine Bewegung in Richtung Tor erkannt, werden die ersten Daten zur Motorsteuerung übermittelt, die für die Bewegung des ‘RoboKeepers’ verantwortlich ist und den Robo-Torhüter positioniert.

Auf Basis der Berechnungen und mit Hilfe eines Hochleistungsmotors benötigt der ‘RoboKeeper’ nur rund 300 ms, um die errechnete Abwehrposition zu erreichen. Er beschleunigt dabei etwa 20 Mal schneller als ein Formel-1-Rennwagen. Das System hat sieben verschiedene Schwierigkeitsstufen und passt sich so dem Leistungsniveau der Spieler an.

Wird das System im Außenbereich aufgebaut, variiert das Sonnenlicht und damit die Beleuchtungsstärke der Szene im Tagesverlauf erheblich. Darum wurde mit Kamerasystemen gearbeitet, die mit einer automatischen Blendensteuerung und einer videosignalgesteuerten Motorblende ausgestattet sind. Die eingesetzten Objektive vom Typ ‘CVO GAT23516AC’ von Goyo Optical sind mit einer Brennweite von 3,5 mm weitwinklig genug, um eine korrekte Ballerkennung vom Abschuss bis zum Tor zu gewährleisten.

Das Bildverarbeitungs-Setup bestehend aus den beiden Kameras, den zugehörigen motorisierten Objektiven und den Kabeln stammt von Stemmer Imaging.

Lust auf ein Duell?

Während der Fußball-Weltmeisterschaft 2018 können Fans ihr Glück auf dem Roten Platz in Moskau versuchen. Neben dem beschriebenen System sind auch weitere Versionen verfügbar: eine verkleinerte Version mit einer verkürzten Schussdistanz und verringerter Torgröße sowie Varianten für Hockey, Eishockey und Handball.