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Fachhochschule Köln | Januar 2007 | insider 33
AUS DEN FAKULTÄTEN
33
PÜNKTLICH ZUR FUSSBALL-WELTMEISTERSCHAFT
Team der Fachhochschule Köln stellt einen selbstentwickelten Kickroboter vor
Um die Leistungsfähigkeit mo-
derner, frei programmierba-
rer Schaltkreise, sogenann-
ter FPGAs (field program-
mable gate arrays), zu demon-
strieren, entwickelte das In-
stitut für Nachrichtentechnik der Fachhoch-
schule Köln in Kooperation mit der Firma EBV,
München, einen Kickroboter. Auf der Messe
für elektrische Automatisierung der SPS/IPC
Drive Messe 2006 in Nürnberg wurde er erst-
malig vorgestellt. Den bewusst offen gestalte-
ten mechanischen Aufbau erstellte die Werk-
statt der Fakultät für Informations-, Medien-
und Elektrotechnik. Die Konzeption, Verdrah-
tung und Programmierung wurde von den
Diplomanden Rainer Hoffmann, Heiko Wilke
und Stephan Peters unter Leitung von Prof. Dr.
Jens Onno Krah erarbeitet.
Und so funktioniert der Kickroboter: Das
»Spielfeld« – ursprünglich eine grün lackierte
Holzplatte – ist mit transparentem, schlagfes-
tem Milchglas ausgeführt. Zusätzlich ist über
dem Kicker eine Art Flutlicht installiert. Eine
Kamera kann dadurch über einen Umlenk-
spiegel den Schatten des Kickerballs von
unten erkennen. Algorithmen einer Bildver-
arbeitung berechnen die Koordinaten und
senden diese per Ethernet an vier EBV FPGA
Entwicklungsboards (DBC2C20 Altera© Cy-
clone II Development Board). Jedes dieser
Boards steuert die zwei Servomotoren einer
Kickerachse an. Jeweils ein Motor zum Posi-
tionieren der Spielfiguren und ein Motor
zum Schießen.
Das neuartige dieser Lösung ist, dass keine
dedizierten integrierten Schaltkreise mehr
benutzt werden, sondern frei programmier-
bare FPGAs. Der Ethernet Media Access Con-
troller, die Feldbusanschaltung und auch der
Prozessor sind in VHDL (Very High Speed
Integrated Circuit Hardware Description Lan-
guage) codiert und dadurch Teil der FPGA
Konfiguration. Konfiguriert ist ein 32-Bit 50
MIPS NIOS II Prozessor mit On-Chip Cache
Speicher. Dieser bearbeitet im Rahmen eines
Echtzeitbetriebssystems sowohl die »Spiel-
strategie« als auch die Servoantriebe der Ki-
ckerachsen (über die Feldbusanschaltung
CANopen© & EtherCAT©). Übersetzt werden
die Computer Programme mit dem Altera©
NIOS II GNU C Cross-Compiler innerhalb ei-
ner Eclipse Entwicklungsumgebung (IDE).
Der Torwart wird bewegt von einem eisen-
losen Linearantrieb von Danaher Motion über
eine EtherCAT© Feldbusverbindung. Die Ver-
teidigung nutzt zwei KEB Servoantriebe mit
CANopen© als Feldbus. Im Mittelfeld werden
die Spielfiguren über Beckhoff Servoantriebe
und EtherCAT© angesteuert. Der Sturm nutzt
CANopen© und Lenze Servoantriebe. Die
verschiedenen Servoantriebssysteme wur-
den von den Herstellern – alles EBV Kunden –
kostenlos zur Verfügung gestellt. Ein fünftes
FPGA Entwicklungsboard zählt über Licht-
schranken die geschossenen Tore, und zeigt
diese auf dem angeschlossenen TFT-Bild-
schirm an.
Auf der Messe war der Kickroboter immer
umlagert. Dabei stand im Vordergrund des
Interesses eher die technische Umsetzung.
Das jüngere Publikum ließ sich aber auch
gerne auf ein Spiel ein. Durch die (noch)
langsame Bildverarbeitung mit nur 20 Bil-
dern pro Sekunde war es durchaus möglich,
gegen den Kickroboter zu gewinnen. Nicht
zuletzt deshalb hat er den Messebesucherin-
nen und -besuchern viel Freude gemacht.
Prof. Dr. Jens Onno Krah
Unter dem Kicker ist der Umlenkspiegel zu sehen über den die Kamera den Ball erkennen kann Der Kickroboter war stets gut besucht und sorgte für beste Stimmung
So sieht der
schematische Aufbau
des Kickroboters aus
Abbildung und Fotos:
Prof. Dr. Jens Onno
Krah