Die automatischen Elf

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STEUER- & REGELUNGSTECHNIK FAC H B E I T R AG
Die automatischen Elf
Mensch gegen Maschine: Automatisierter Kickroboter auf FPGA-Basis
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Studenten der Fachhochschule Köln haben im Rahmen ihrer Diplomarbeit
einen Tischkicker automatisiert. Die dabei eingesetzten Komponenten
aus der Antriebs-, Steuerungs- und Feldbustechnik sowie der industriellen
Bildverarbeitung, zeigen dabei anschaulich, was die moderne Automatisierungstechnik zu leisten im Stande ist.
Jens Onno Krah
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m die Leistungsfähigkeit moderner,
frei programmierbarer Schaltkreise,
sogenannter FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), zu demonstrieren, entwickelte das Laboratorium für Motion Control
und digitale Signalverarbeitung der Fachhochschule Köln unter der Leitung von Prof. Dr. Jens
Onno Krah einen auf einer Seite automatisierten
Tischkicker. Als Kooperationspartner begleitete
U
Prof. Dr. Jens Onno Krah
ist Leiter des Laboratoriums für Motion Control und
digitale Signalverarbeitung an der FH Köln
T +49/221/8275-2439
[email protected]
ENERGY 2.0 – Technik für die Energie der Zukunft – die neue Fachzeitschrift ab Herbst 2007
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der Distributor EBV Elektronik aus München
das Projekt. Den für eine hohe Anschaulichkeit
bewusst offen gestalteten mechanischen Aufbau des Kickroboters erstellte die Werkstatt der
Fakultät für Informations-, Medien und Elektrotechnik. Konzeption, Verdrahtung und Programmierung realisierten die Ingenieure Rainer
Hoffmann, Heiko Wilke und Stephan Peters im
>
Rahmen ihrer Diplomarbeit.
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Die offene Konstruktion des automatisierten Tischkickers erlaubt einen Einblick auf die
eingesetzten Komponenten
Und so funktioniert der Mensch-gegen-Maschine-Tischkicker: Die das Spielfeld bildende grün
lackierte Holzplatte wurde durch transparentes,
schlagfestes 8mm-Sicherheitsmilchglas ersetzt.
Über dem Kicker ist ein Miniatur-Flutlicht mit
36 Halogenstrahlern installiert. Eine Kamera erkennt über einen Umlenkspiegel den Schatten
des Kickerballs von unten. Der so detektierte
Ball wird auf dem Service Monitor mit einem
roten Punkt gekennzeichnet. Algorithmen einer
Bildverarbeitung berechnen daraus die Koordinaten und die Geschwindigkeit des Kickerballs
und senden diese per UDP-Broadcast über einen GBit-Ethernet-Switch an vier Altera-Cyclone-II-FPGA-Entwicklungsboards von EBV
Elektronik. Jede dieser Karten steuert die zwei
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Die „frischgebackenen“ Ingenieure Stephan Peters, Rainer Hoffmann und Heiko Wilke mit
Mentor Jens Onno Krah (v.l.)
Servomotoren einer Kickerachse an. Ein Motor
positioniert die Spielfiguren und der zweite Motor wird zum drehen der Figuren, also zum Kicken genutzt.
Automatisierungs-Komponenten aus
allen Disziplinen im Einsatz
Neuartig an dieser Lösung ist folgende Eigenschaft: es werden keine dedizierten integrierten Schaltkreise mehr benutzt, sondern frei
programmierbare FPGAs. Der Ethernet Media
Access Controller, ein 5-in-1-Ethernet-Package
von MaCo Engineering, die Feldbusanschaltung
EtherCAT und CANopen sowie der Prozessor
sind in VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) codiert
und dadurch Teil der FPGA-Konfiguration.
Konfiguriert ist ein 32Bit-50-MIPS-NIOSII-Prozessor mit On-Chip-Cache-Speicher (2
kB Daten und 8 kB Instruktionen). Dieser bearbeitet im Rahmen des Echtzeitbetriebssystems Segger Embos sowohl die Spielstrategie als
auch die Ansteuerung der Servoantriebe über
die Feldbusanschaltung. Übersetzt werden die
Programme mit dem NIOS-II-GNU-C-CrossCompiler von Altera innerhalb der Eclipse Entwicklungsumgebung IDE.
Der Torwart wird von einem eisenlosen
Linearantrieb von Danaher Motion über eine
EtherCAT-Feldbusanbindung bewegt. Die zwei
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Figuren der Verteidigung werden von zwei
KEB-Servoantrieben über CANopen angesteuert. Im Mittelfeld werden die fünf Spielfiguren
von Beckhoff-Servoantrieben über EtherCAT
angesteuert. Der Sturm nutzt CANopen und
Lenze-Servoantriebe. Die verschiedenen Servoantriebssysteme wurden von den Herstellern
kostenlos zur Verfügung gestellt.
Eindrucksvoll ist außerdem, dass der EtherCAT-Master erstmalig auf einem eingebetteten
System mit Soft-Core-CPU und nicht auf einen
PC realisiert wurde. Ein fünftes FPGA-Entwicklungsboard zählt die geschossenen Tore, und
zeigt diese auf dem angeschlossenen TFT-Bildschirm an. „Hinter der Linie“ ist das Kriterium für
die eingebauten Lichtschranken,
das Tor zählt also auch, wenn der
Ball wieder auf das Spielfeld zurückfliegt. Gespielt wird bis eine
Seite 10 Tore erreicht hat.
können so pro Sekunde bis zu 120 Farbbilder
mit 640x480 Pixel ausgewertet werden. Mit der
Installation eines FirePackages wurde der Windows-eigene, universelle aber zu langsame FireWire-Treiber ersetzt.
Bei der letzten Präsentation zur Fachmesse
Embedded World hatten nur noch geübte Kicker eine Chance gegen den EBV-Kickroboter
zu gewinnen. Das waren allerdings nicht mal
10 Prozent. Selbst gegen die besten zwei KickerSpieler vor Ort konnte der Roboter fünf Tore erzielen. Das Fazit der beeindruckten Gegner war
fast immer gleich: So schnelle und harte Schüs-
se hatte keiner dem Kickroboter zugetraut. Das
unzureichende Teamverhalten und die einfache
Spielstrategie der Maschine standen dadurch
gar nicht zur Diskussion.
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Automatisierte Spielstrategie
Die Spielstrategie ist einfach und
dennoch effektiv, denn jede Kickerachse spielt autonom. Das Verhalten leitet sich allein aus der Ballposition ab:
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Befindet sich der Ball unmittelbar vor einem Spieler, wird
er in Richtung gegnerisches
Tor gekickt.
Ist der Ball zwischen Kickerachse und gegnerischem Tor
nicht in Reichweite, wird die
passende Figur auf Ballhöhe
zum Blocken positioniert.
Erkennt der Spielalgorithmus
eine Ballposition zwischen
Kickerachse und eigenem Tor
werden die Füße der Figuren
hochgefahren, damit der Weg
für einen Schuss aufs gegnerisches Tor frei ist.
Diese Rechnung geht auf!
Verbesserte Bildverarbeitung
Bei der ersten Version des Kickroboters war es durch die langsame Bildverarbeitung mit nur 20
Bildern pro Sekunde durchaus
möglich, gegen den Kickroboter zu gewinnen. Jetzt wurde die
Standardkamera durch eine PikeHochgeschwindigkeitskamera von
Allied Vision Technologies ersetzt.
Über eine Fire-Wire-Schnittstelle
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