Wenn am 14. Juni im Moskauer Luzhniki-Stadion mit dem Spiel Russland vs. Saudi-Arabien die 21. Fußball-Weltmeisterschaft der Herren beginnt, hat Deutschland einen starken Spieler nicht am Start: Neymar ist an ihm gescheitert, Ronaldo ist an ihm gescheitert. Doch der Keeper aus Deutschland wäre nicht regelkonform: Es handelt sich um einen Roboter. RoboKeeper, so der Name des computergesteuerten Fußball-Automaten, ist eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Materialfluss und Logistik (IML). Schon 2006, im Fieber des Fußball-WM-Sommermärchens in Deutschland, widmeten sich die Forscher um Dipl.-Ing. Thomas Albrecht der Entwicklung des RoboKeepers. Ähnlich einem Tipp-Kick-Torwart besteht er aus einer Torwartfigur, die über eine Achse an ihren Füßen nach links oder rechts rotiert werden kann – sie wirft sich quasi an den linken oder rechten Pfosten.
Aus den Bildern von zwei Kameras über dem Tor, jeweils etwas oberhalb der Kreuzecke platziert, ermittelt ein spezieller Industrie-PC von Emcomo, der auf einer Kontron KBox A103 basiert, ein dreidimensionales Bild des Torraums. Die Kameras registrieren den Ball auf über 85 Bildern pro Sekunde, daraus berechnet der Industriecomputer von Kontron dessen Position, vergleicht sie mit der letzten Messung und bestimmt so Geschwindigkeit und Richtung seiner Bewegung. Schießt ein Spieler den Ball auf das Tor, ermittelt der Rechner den Punkt, an dem er die Torlinie passieren wird, und weist die Stellmotoren in Sekundenbruchteilen an, die die Torwartfigur mit bis zu 50 km/h Geschwindigkeit in den Weg des Balls bewegen.
Der RoboKeeper kann Elfmeterschüsse mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 Kilometer pro Stunde parieren. Zum Vergleich: Beim EM-Halbfinale 1996 waren die Elfer mit 120 Stundenkilometer im Schnitt nur unwesentlich schneller. Die menschlichen Torwarte Andreas Köpke und Petr Kouba schafften es damals lediglich, einen von insgesamt zwölf Schüssen zu parieren. Selbst von Schüssen mit Effet, Aufsetzern oder Bandenschüssen lässt sich der elektronische Torwart nicht so einfach täuschen. Seit seiner Premiere im Jahr 2007 hat er an über 250 Tagen seinen Dienst getan und rund um die Welt, von Shanghai über Kapstadt bis nach Kanada auf Events sein Können gegen Sportbegeisterte unter Beweis gestellt. Mittlerweile wurde der RoboKeeper sogar auf andere Sportarten trainiert: er beherrscht nun auch Eishockey und Handball.
Höhere Torchancen durch gedrosselte Geschwindigkeit
Wenn der RoboKeeper nicht gerade den Spitzen des Weltfußballes gegenübersteht, lässt sich seine Geschwindigkeit drosseln, um den menschlichen Kontrahenten eine Chance zu lassen. Der Reiz für das Veranstaltungspublikum erhöht sich, wenn die Torwartmaschine bezwingbar erscheint. Oft sind aus Platzgründen auf Events auch nicht die vollen elf Meter Torraum verfügbar, so dass sich die verfügbare Reaktionszeit für ihn erheblich verkürzt. Die spielerische Leichtigkeit, mit der der RoboKeeper auf Events für Unterhaltung sorgt, sollte nicht darüber hinwegtäuschen, welche technischen Herausforderungen die Fraunhofer-Entwickler zu bewältigen hatten.
Da sind zum einen die physikalischen Rahmenbedingungen: Die Torwartfigur muss leicht genug sein, um sich schnell beschleunigen zu lassen, aber stabil genug, um unzähligen Schüssen Stand zu halten. Sie sollte kostengünstig herstellbar sein und keine harten Kanten haben, welche ein Sicherheitsrisiko darstellen würden. Die Entwickler wählten schließlich einen Korpus aus PU-Schaum, verstärkt durch ein Aluminium-Profil und -Rückgrat. Sein Gewicht liegt bei 4,3 kg und er trotzt mehreren Tausend Schüssen.
Auch der Motor musste genug Kraft bieten, um die Torwartfigur trotz ihres langen Hebels schnell und genau zu bewegen. Er durfte auch bei längerem, andauernden Einsatz nicht heiß laufen oder Schaden nehmen. Sein Getriebe musste exakt genug arbeiten, um die Feinjustierung der Figur zu ermöglichen. Ein kupplungsfreier Spezialmotor, der üblicherweise im High-Tech-Maschinenbau und in der Luftfahrt Einsatz findet, erfüllte diese Anforderungen.
Der Keeper beschleunigt 17-mal schneller als ein Rennwagen
Mindestens genauso wichtig waren Hard- und Software, gewissermaßen das „Gehirn“ des RoboKeepers. Die Aufgabenstellung verlangte ein extrem schnelles System: Bei einer Schussgeschwindigkeit von 100 Kilometer pro Stunde braucht der Ball nur 0,4 Sekunden für den Weg ins Netz. Die Torwartfigur benötigt aber schon bis zu 0,3 Sekunden Zeit für den Weg zum Ball – und das, obwohl der RoboKeeper mit einer Beschleunigung bewegt werden kann, die 17-mal höher ist als die eines Formel-1-Wagens. Für alle Berechnungen – die Messung und Berechnung der Flugbahn, die Ermittlung der nötigen Position des Torwarts und die Steuerung des Motors - ist also nur knapp eine Zehntel Sekunde Zeit.
Für ein so schnelles System, das den harten Bedingungen auf Events gerecht werden sollte, war ein industrieller Hochleistungsrechner notwendig. Für die nahezu verzögerungsfreie Übertragung der Kamerabilder sind zwei Gigabit-Schnittstellen erforderlich. Die Quad-Core-Prozessor-Architektur sorgt dafür, dass die Bildverarbeitung parallel erfolgen kann.
Ferner sollte das System den Bedingungen „on the Road“ und auf Veranstaltungen gewachsen sein: Häufiger Auf- und Abbau, wechselnde Umgebungsbedingungen. Dazu musste es aus praktischen Gründen eine geringe Baugröße haben, vibrationssicher sein, auf bewegliche Teile wie Lüfter und rotierende Massenspeicher verzichten und durfte keine gesockelten Bauteile enthalten, die sich lösen könnten. Zudem ist er wetterunabhängig, da das System darauf ausgelegt ist, auch Feuchtigkeit zu trotzen. Selbst bei ungünstigen Lichtverhältnissen, wie Dämmerung, Kunstlicht von der Decke oder starkem Seitenlicht,verrichtet der RoboKeeper zuverlässig seinen Dienst. Um zu verhindern, dass ein Spieler in die Bahn des RoboKeepers kommt und von der Torwartfigur erfasst und verletzt wird, stoppt eine Sicherheits-SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) den Roboter sofort, wenn eine Lichtschranke vor dem Roboter durchbrochen wird.Es sollte eine hohe EMV-Störfestigkeit (elektromagnetische Verträglichkeit) aufweisen, um nicht von anderen Geräten durch elektromagnetische Strahlung gestört zu werden oder diese zu stören.
Hohere Anforderungen für die IPC-Plattform
All diese Anforderungen konnte die Kontron KBox A-103 erfüllen, die in einer speziell angepassten Version von Kontron Partner Emcomo Solutions aus Neu-Ulm geliefert wurde. Emcomo ist Systemintegrator und Value-Added Reseller für Boards und Systeme. Das Unternehmen bietet Dienstleistungen für Kunden von Embedded Computern. Die lüfterlose KBox A-103 von Kontron verfügt einen schnellen Intel Atom E3845 Prozessor mit einer Taktfrequenz von 4*1,91 GHz, bis zu 4 GB RAM Hauptspeicher und bis zu 16 GB onboard Flash-Speicher. Zur dezentralen Anbindung von Industrial-Ethernet- sowie klassischen Feldbuskomponenten verfügt die Kontron KBox A-103 über 2 GbE- und bis zu 3 seriellen Schnittstellen (RS232/422/485, Profinet Feldbus via mPCIe). Über eine DisplayPort oder VGA Schnittstelle kann ein Monitor angeschlossen werden. Die KBox wird mit 24 VDC (+20 % / -15 %) betrieben und entwickelt bei einer typischen Verlustleistung von nur 11 Watt sehr wenig Wärme.
Emcomo modifizierte die KBox A-103 von Kontron für die speziellen Anforderungen des RoboKeepers im Event-Einsatz. So wurde ein CF-Kartenleser mit Anschluss an SATA eingebaut. Ebenfalls ergänzt wurde eine dritte Ethernet-Schnittstelle. Für beide Erweiterungen musste auch das Gehäuse nachbearbeitet werden. Zudem wurde ein CAN-Controller (Mini-PCIe) als Feldbusschnittstelle eingebaut. Auf der CF-Karte wurde Linux angepasst und installiert. Auf ihr läuft der 15.000 Zeilen lange C++ Code auf Basis des Fedora Linux Betriebssystems.
Die Bilder der beiden Kameras gelangen jeweils über einen eigenen Gigabit-Ethernet-Port und den GigE Vision Standard in die KBox A-103. Dort wird im symmetrischen Multiprocessing der Bilder einer Kamera auf je einem Prozessor Core innerhalb von nur 90 ms die Flugbahn des Balls berechnet, und in höchstens 2 ms darauf der Winkel, auf den die Torwartfigur eingestellt werden muss. Die einfach zu implementierende KBox A-103 erlaubt eine Systemintegration- und -Programmierung ohne großen Aufwand. Emcomo ist mit den Leistungen des Robokeepers hoch zufrieden, sagt Vorstand Karl Judex: „Für den Laien sind die Leistungen eines Torwarts kaum vorstellbar. Noch weniger denkbar ist, dass die Elektronik schneller ist als ein echter Keeper. Deshalb ist der RoboKeeper der Hingucker auf jeder Veranstaltung und ein Spaß für Jung und Alt. Zudem ist er hoch zuverlässig: Seine sensiblen Komponenten haben bisher allen Events und Witterungsbedingungen ohne Einschränkungen getrotzt. Für uns ist der RoboKeeper definitiv der Welttorhüter ohne Konkurrenz.“
