Макогон Владимир Николаевич
ДонНТУ
Портал магистров
Магистр ДонНТУ Макогон Владимир Николаевич

Макогон Владимир Николаевич

Факультет компьютерных наук и технологий
Специальность: Системное программирование

Научный руководитель: Святный Владимир Андреевич

GoalIAS – проект института IAS Штутгартского университета


Общие сведения о проекте

С чего все началось!

Для начала немного истории.
IdeenPark – выставка технических новинок, которая проводилась с 17 по 25 мая в Штутгарте. Организатором выставки выступил один из крупнейших промышленных концернов Германии ThyssenKrupp AG в кооперации с правительством земли Баден -Вюртемберг . 19 июня 2007 года произошло официальное открытие, на котором был дан старт этой инициативе. Во время открытия в качестве примера был представлен высокотехнологичный миниатюрный вратарь, который отбивает удары (IAS-Tipp-Kick) – проект института IAS http://www.ias.uni-stuttgart.de Штутгартского университета http://www.uni-stuttgart.de.

Более подробную информацию о проекте IAS-Tipp-Kick можно получить здесь: http://www.ias.uni-stuttgart.de/?page_id=46&demo_id=1.

Вратарь IAS-Tipp-Kick отбил все удары премьер-министра федеральной земли Баден-Вюртемберг Гюнтера Эттингера и представителя промышленного концерна ThyssenKrupp AG Экхарда Шульца, После этого профессор Штутгартского университета Гёнер поспорил с Эттингером и Шульцем, что институт IAS реализует автоматизированного вратаря для настоящих футбольных ворот, который будет отбивать 11-метровые удары профессиональных футболистов футбольного клуба «Штутгарт». Предварительные расчеты показали, что такой проект вполне реален. Через год автоматизированный вратарь GoalIAS был представлен на технической выставке IdeenPark!  [1]

Структура системы GoalIAS в целом

GoalIAS, как уже было сказано раньше, должен отбить 11-метровый удар профессионального футболиста. Для этого он должен покрыть ворота шириной 7,32 м, и высотой 2,44 м. У него есть около 400 миллисекунд для того, чтобы просчитать положение мяча при пересечении его линии ворот, и для того, чтобы переместиться в эту точку. Для этого GoalIAS должен распознавать картинку, которая приходит с высокоскоростной камеры, и иметь мощный мотор.

Как GoalIAS видит мяч?

GoalIAS должен действовать очень быстро, так как у него есть всего около 400 мс для распознавания мяча. Поэтому он оснащен высокоскоростной камерой EyeSpector 2100. Эта камера отправляет картинки 782*582 пикселей со скоростью 55 кадров в секунду.

Всего установлено 3 камеры, которые захватывают мяч с разных ракурсов. Все 3 камеры соединены с центральным микроконтроллерным управлением. [3]

Как передвигается GoalIAS?

Для того, чтобы отбить удар профессионального футболиста, GoalIAS должен передвигаться очень быстро. Для этого он закреплен на рельсе.

Также необходим очень мощный мотор. GoalIAS должен развивать скорость 55 км/ч с ускорением в 8 раз превышающим ускорение свободного падения. Для этого был использован мотор фирмы SEW Eurodrive. [4]

Безопасность - прежде всего.

Нельзя подпускать человека близко к вратарю GoalIAS, когда он пытается отбить мяч. Это может привести к травме. На пульте управления есть кнопка аварийного останова, которая в случае опасности выключает всю систему. Как дополнительное средство защиты, есть еще «Световой занавес», который должен быть установлен не ближе, чем в 5 метрах от автоматизированного вратаря. Этот «Световой занавес» состоит из большого количества горизонтальных световых лучей. Если более 3-х лучей будут пересечены, GoalIAS остановится.

Еще одна опасность заключается в отказе тормозной системы. На этот случай по бокам ворот установлены дополнительные металлические укрепления. [5]

Визуализация

Был разработан концепт, который отправляет дополнительную информацию наблюдателю о состоянии системы, последнем ударе и т. д. Все данные выводятся на сенсорный дисплей в удобной для пользователя форме. [6]

В результате, на технической выставке IdeenPark GoalIAS предстал во всей своей красе:

Практическая и научная ценность проекта

Практическую ценность проекта можно разделить на две сферы – развлекательная (для простых людей) и профессиональная (для профессиональных футболистов).
С точки зрения профессионального футболиста ценность проекта довольно сомнительна. Автоматизированный вратарь GoalIAS в идеальном случае (когда система отработала без просчетов и ошибок) при немного боле совершенном оборудовании сможет отбить абсолютно любой удар, абсолютно любого футболиста. Потому тренировка 11-метровых ударов даже для профессионального футболиста на такой системе равносильна ударам о бетонную стену. Кому интересно бить в бетонную стену? Вопрос риторический… Есть некоторые аргументы за:

  1. Сделать систему мене совершенной, эмулировать поведение настоящего вратаря.
  2. Полевых футболистов в команде много, вратарей в несколько раз меньше. Возможно, неудобно проводить тренировку 11-метровых ударов одновременно для всех полевых футболистов.

Но дуэль вратаря и нападающего намного более многогранна, чем это может показаться на первый взгляд. Она включает в себя такие элементы как обманные движения как со стороны нападающего, так и со стороны вратаря и многие другие футбольные хитрости. Так же, относительно второго пункта, для того, чтобы все полевые футболисты могли тренировать 11-метровые удары, достаточно несколько усовершенствовать тренировочный процесс. Единственный плюс в такой ситуации: система показывает скорость полета мяча, что может дать футболисту определенную информацию о силе его удара. Возможно, это как-то поможет при тренировке точности и силы удара. Но опять же, можно как угодно точно и сильно научиться бить пенальти, но это не дает 100% гарантии, что вратарь не угадает направление удара и не окажется именно в той точке, чтобы парировать удар. Не даром серию пенальти называют «футбольной лотереей». Потому, 11-метровые удары лучше тренировать с обычными голкиперами. И незачем изобретать велосипед.
Зато в развлекательных целях система может оказаться очень даже выгодной во всех отношениях. Именно в этом направлении, по моему мнению, и нужно развиваться.
Научная ценность проекта довольно велика, так как вратарь GoalIAS – единственный в своем роде. Существующие роботы-вратари не приспособлены к стандартным 7-метровым футбольным воротам и к такой скорости полета мяча. С другой стороны, они более компактны. Возможно, в скором будущем некоторые из технологий GoalIAS будут применены в новых более совершенных роботах-футболистах.

Мой вклад в развитие проекта

Любая высокотехнологичная система не застрахована от ошибок. На данный момент и GoalIAS не безупречен в своем вратарском мастерстве. Случаются ситуации, когда он принимает ошибочные решения. Кроме того, по словам профессора Гёнера, большие трудности для GoalIAS составляют подкрученные и достаточно быстрые удары, которые он не в силах просчитать. Для отладки и исправления таких ошибок были созданы отладочные инструменты (в частности, отладочная программа была написана студентом института IAS Штутгартского университета – Домиником Марксом в рамках его дипломной работы). Система отладки установлена на отдельном компьютере, который расположен в той же аудитории, что и сам GoalIAS.

Как оказалось во время моего официального визита в институт IAS в марте 2011 года, недостатки супер-вратаря GoalIAS не ограничиваются некоторыми алгоритмическими просчетами, возможно, недостаточной скоростью передвижения вратаря по линии ворот, которые можно исправить, подкорректировав алгоритм, купив более мощный мотор, более скоростные камеры. Также существуют еще непредвиденные программные ошибки, человеческий фактор (можно с легкостью забыть подключить какой-нибудь шнурок к системному блоку, от которого напрямую зависит работоспособность системы), в диспетчере устройств операционной системы Windows можно поменять местами номера COM-портов, или вообще выбрать другие, кроме того, оборудования просто-напросто может выйти из строя. В результате этого может не запуститься какой-либо из процессов, относящийся к работе системы. При этом определить, что произошло – программная ли это ошибка, или ошибка при подключении – крайне сложно и может занять довольно много времени.
Для того чтобы сделать процесс поиска ошибок более легким и, возможно, даже более приятным, необходимо было написать программу, которая проверит, запущены ли необходимые процессы, не поменялись ли номера COM-портов, а также проверит состояние сетевого подключения (через него приходит информация от камер). Обладая такой информацией, и зная, что вышеперечисленные требования можно с уверенностью сказать, что, например, процесс не запущен, потому, что произошла какая-то внутренняя ошибка этого процесса, которую, возможно, необходимо исправить, или из-за того, что COM-порт с таким номером отсутствует. Во время командировки в Штутгарте под суровым руководством бетройера Фарцана Язди мною была написана программа под кодовым названием «Volodymyr», которая призвана выполнять поставленные выше задания. Скриншоты этой программы представлены ниже.

Для более гибкого управления программой все необходимые входные данные вводятся из файлов. Времени на выполнение задания было довольно мало, но программный продукт был готов в срок и справился с поставленной задачей, что подтвердило тестирование на отладочном компьютере. Кроме того, что написанную мной программу можно использовать в самой лаборатории GoalIAS, ее также можно задействовать при транспортировке и повторном подключении всей системы для предварительной проверки работоспособности. Поэтому, практическая ценность этой программы очевидна.

Перспективы развития проекта

Я считаю, что проект является довольно перспективным. Его можно развивать для дальнейшего применения, как в развлекательных, так и в научных целях. Алгоритмы распознавания мяча, летящего со скоростью до 120-140 км/ч, оказались работоспособными. Их можно доработать и перенести на других системы реального времени, в том числе, это относится и к робототехнике.
Близится главный футбольный европейский турнир – Евро-2012, который пройдет в Украине и Польше. Многим футбольным болельщикам было бы интересно попробовать свои силы, пробив 11-метровый удар автоматическому вратарю. Еще больший интерес подогревает возможность выбора уровня сложности. Наивысший уровень сложности – уровень Лиги Чемпионов, в которой мечтает играть и побеждать каждый футболист. В перспективе, интересно было бы воплотить в жизнь идею выбора конкретного вратаря, которому футбольный болельщик хочет забить гол. Успех такой системы гарантирован. Количество просмотров ролика youtube с автоматическим вратарем (http://www.youtube.com/watch?v=mIEVo06uRcg&feature=related), подобным вратарю GoalIAS на 2 июня 2011 года составляет более 1 600 000! С уверенностью можно сказать, что GoalIAS будет очень популярен среди футбольных болельщиков всех стран, и установка такой системы на время проведения Евро-2012 очень желательна. Автоматический вратарь GoalIAS мог бы стать еще одной достопримечательностью Донбасс Арены. ДонНТУ и Штутгартский университет активно работают в этом направлении.
Более полная информация о проекте GoalIAS находится здесь: http://www.ias.uni-stuttgart.de/index.html?page_id=29&item=7.

Источники:
  1. GOALIAS - Wie alles begann... [Электронный ресурс]. http://www.ias.uni-stuttgart.de/index.html?page_id=29&item=5.
  2. GOALIAS - Aufbau des Gesamtsystems [Электронный ресурс]. http://www.ias.uni-stuttgart.de/index.html?page_id=29&item=1.
  3. GOALIAS Augen - Die Bilderkennung [Электронный ресурс]. http://www.ias.uni-stuttgart.de/index.html?page_id=29&item=1&subitem=1.
  4. GOALIAS Muskeln - Der Antrieb [Электронный ресурс]. http://www.ias.uni-stuttgart.de/index.html?page_id=29&item=1&subitem=2.
  5. Die Sicherheit bei GOALIAS [Электронный ресурс]. http://www.ias.uni-stuttgart.de/index.html?page_id=29&item=1&subitem=3.
  6. GOALIAS-Visualisierung [Электронный ресурс]. http://www.ias.uni-stuttgart.de/index.html?page_id=29&item=1&subitem=5.