Fußball und Technik

Deutsches Patent- und Markenamt

 

Der Fußball

6. Der "intelligente" Ball

Trainings- und Spielsituationen werden von Menschen oft sehr unterschiedlich eingeschätzt. Deshalb wird versucht, dem Schiedsrichter oder Trainer ein zusätzliches Hilfsmittel an die Hand zu geben, um das Verhalten eines Spielers am Ball (z.B. seine Schussstärke) und das Verhalten des Balles in Spiel (z.B. seine Position auf dem Spielfeld) genauer beurteilen zu können. Diese Entwicklungen können unter dem Oberbegriff "intelligenter Ball" zusammengefasst werden.

Die FIFA entschied nach Praxistests einiger derartiger Systeme, keines derselben weiterzuverfolgen oder gar standardmäßig im Spielbetrieb z.B. für die Torerkennung einzusetzen.

Da es sich jedoch um bemerkenswerte Erfindungen handelt, werden deren unterschiedliche Konzepte in den folgenden Abschnitten vorgestellt und ihre teils schon spielerprobten Techniken im Kontext beleuchtet. Wie sich die unterschiedlichen Lösungsansätze in der Praxis geschlagen haben, wird im Exkurs "Ein intelligenter Ball als Schiedsrichterhilfe?" eingehend besprochen.

6.1 Ein Chip im Ball

Tetraedrische Aufhängung eines Objekts im Fußball (DE-PS 829 109)LupeFigur 14: Tetraedrische Aufhängung eines Objekts im Fußball (DE-PS 829 109)


Jedes zusätzlich in den Ball integrierte Bauteil, wie etwa ein Sensor, stellt einen Störfaktor dar, der kompensiert werden muss. Die immer weitergehende Miniaturisierung elektronischer Bauteile und innovative Techniken zu deren Energieversorgung, ermöglichen heute die Bestückung eines Balles mit Sensoren ohne bedeutende Gewichtszunahme. Für die Unterbringung dieser Bauteile hat aus Symmetriegründen das Zentrum des Balles Priorität.

Um elektronische Bauteile im Zentrum eines Balles zu platzieren, existieren im Wesentlichen zwei Ansätze:

Schaumgummivollschutz für einen Ballsensor (FR 2 667 510 A1).LupeFigur 15: Schaumgummivollschutz für einen Ballsensor (FR 2 667 510 A1).

Eine erste Möglichkeit, ein Objekt im Zentrum eines Balles per Aufhängung zu fixieren, zeigt bereits die DE-PS 829 109 aus dem Jahre 1952. Sie sieht eine aus elastischen Bändern in Tetraederform gestaltete Konstruktion vor (Figur 14).

Der DE 200 04 174 U1 ist erstmals konkret zu entnehmen, eine elastische Fixierung in Tetraederform auch für einen im Ball angeordneten Positionssender zu nutzen, der zur Ortung des Balles auf dem Fußballfeld eingesetzt wird.

Ein Beispiel für den Einschluss in einen Schutzwerkstoff gibt die FR 2 667 510 A1 (Figur 15). Die Fußballblase besteht im Wesentlichen aus Voll-Schaumgummi und sieht für einen Sender nur eine Aussparung im Zentrum des Balles vor. Somit bleibt der Sender auch beim Spiel weitgehend ortstreu und ist gut gegen die bei Schüssen auftretenden Kräfte geschützt.

Ebenfalls in diese Kategorie fällt die Platzierung eines elektronischen Bauteils in zentrale Aussparungen einer entsprechend gekammerten Fußballblase. Beispiele hierfür sind z.B. der DE 103 50 300 A1, DE 103 61 826 A1 und der DE 10 2004 045 176 A1 (Figur 16) zu entnehmen.

Gekammerte Blase, die vom Zentrum spitzwinkelig auslaufend mehrere fünfeckige hütchenförmige Segmente aufweist.LupeFigur 16: Von Verstärkungsflächen in Kammern unterteilte Blase mit dem Sender im Zentrum (DE 10 2004 045 176 A1).

Der in der DE 10 2004 045 176 A1 beanspruchte Fußball weist u.a. eine von Verstärkungsflächen durchzogene Blase und einen dadurch baulich im Zentrum des Balles positionierten Sender auf (Figur 16). Diese Konstruktion dämpft die beim Spiel auftretenden mechanischen Belastungen und Verformungen, aber auch die Beschleunigungen des Senders innerhalb des Balles. Da der Sender aufgrund seiner speziellen Fixierung z.B. bei einem Pressschlag nicht mehr frei schwingen kann, wird auch bei extremen Spielsituationen eine genauere Lokalisierung des Zentrums des Balles ermöglicht. Dies ist z.B. dann wichtig, wenn entschieden werden soll, ob der Ball zum größeren Teil die Torlinie überschritten hat. Ebenfalls wird vorgeschlagen, die gekammerte Blase mit mehreren elastischen, tetraedrisch angeordneten Zugelementen auszustatten (vgl. Figur 14), die den Sender in einer vorbestimmten Position in einer separaten Kammer im Zentrum halten.

Patentdokumente zu diesem Abschnitt
PublikationsnummerJahrTitelKurzbeschreibung
DE 10 2004 045 176 A1   2004   Blase   Fußball mit gekammerter Blase und tetraedrischer Aufhängung für einen zur Ortbestimmung geeigneten Sensor 
DE 103 61 826 A1   2003   Sportball, insbesondere Fussball  Fußball mit zwei miteinander verbundenen Blasen zum ortstreuen zentralen Einschluß eines elektronischen Bauteils  
DE 103 50 300 A1   2003   In Kompartimente unterteilter Ball mit integrierten elektronischen Übertragungsmitteln  Fußball mit gekammerter Blase, und zentral angeordnetem zur Ortbestimmung geeigneten Sensor 
DE 200 04 174 U1   2000   Spielgerät, Einrichtung zur Erfassung des Spielgeräts sowie Teile dieser Einrichtung   Elastische, tetraedrische Fixierung eines Positionssenders im Zentrum eines Fußballs 
FR 2 667 510 A1   1990   Dispositif destiné à la practique d'un nouveau jeu sportif individuel ou d'équipe   Einschluß eines zentral angeordneten Sensors im Fußball in Schaumgummi 
DE-PS 829 109   1950   Luftgefüllter, dünnwandiger Spielball   Ein Beschwerungskörper wird im Zentrum eines Fußballes mittels tretraedrisch angeordneter Bänder gehalten 

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6.2 Grundsätzliches zum "fliegenden Sensor"

Sind die Probleme eines praxistauglichen möglichst zentralen Einbaus gelöst, bestimmt nur noch die gewünschte Information, welche Art von Sensorchip in den Ball integriert werden muss. Meist ist der Chip bei den besprochenen Entwicklungen Teil eines größeren Messfeldes, in dem der Ball mit anderen Komponenten dieses Feldes z.B. per Funk kommuniziert. Der Sensorchip muss also zum Auslesen von Daten nicht aus dem Ball entfernt werden. Vor mehr als zehn Jahren wurden jedoch auch durchaus Sensoren in Bälle eingebaut, die wie ein Fahrtenschreiber nach Ende einer Messung wieder aus diesem entfernt wurden. Dies ist für den praktischen Einsatz z.B. im regulären Spielbetrieb oder bei einer Trainingseinheit nicht nur aus Gründen der Effizienz eine Grundvoraussetzung, wie leicht nachzuvollziehen ist.

Das sei vor allem deshalb erwähnt, da vor mehr als fünfzehn Jahren durchaus Sensoren in Bälle eingebaut wurden, die wie ein Fahrtenschreiber nach Ende einer Messung wieder aus diesem entnommen werden mussten.

Vorrichtungen zur Bestimmung der Schussstärke, wie mittels DE 195 49 231 A1, bilden vor diesem Hintergrund mit ihrer Vollmechanik also eher die Ausnahme. Sie beschreibt eine in einem Ball integrierte Vorrichtung, die mechanisch die vom Zeitpunkt des Abschusses bis zur Ankunft an einem Auftreffpunkt vergangene Zeit erfasst. Dies erfolgt über die Messung des Verschiebungsbetrages zweier Bauteile der Vorrichtung gegeneinander, wie etwa bei einer Eieruhr. Ist die Entfernung zwischen Schuss- und Auftreffpunkt bekannt, kann nun die Geschwindigkeit des Balles berechnet werden. Die Geschwindigkeit ermöglicht letztlich eine Aussage über die Schussstärke.

Patentdokumente zu diesem Abschnitt
PublikationsnummerJahrTitelKurzbeschreibung
DE 195 49 231 A1   1995   Ball mit eingebauter Vorrichtung zur Messung und Anzeige der Ball-Fluggeschwindigkeit   Schußstärkebestimmung eines Spielers auf mechanischem Weg, die über eine Geschwindigkeitsmessung des Balles führt 

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6.3 Positionsbestimmung auf dem Spielfeld

Ein Chip im Fußball allein - sei er aktiv oder passiv - ermöglicht noch keine Aussage über den wahren Aufenthaltsort des Balls auf dem Spielfeld. Dafür wird noch eine ausgeklügelte Methode zur Ortsbestimmung des Chips benötigt. Wie diese konkret aussieht hängt davon ab, ob der Ort des Chips - und damit des Balles - zum Beispiel induktiv, optisch oder mit Funkwellen bestimmt werden soll.

Der Chip im Ball muss also im Regelfall mit einem komplexen Messsystem Daten austauschen, das am Spielfeldrand und/oder auf dem Spielfeld aufgebaut wird.

6.3.1 ...mittels Magnetfeldern und elektromagnetischen Wellen

Oft wird der Fußball mit einem Funksender oder Transponder bestückt, der in einem von mehreren ortsfesten Empfängern aufgespannten Koordinatennetz durch seine ständig im Millisekundenbereich abgestrahlten Funkpulse geortet werden kann (vgl. DE 10 2007 046 366 A1, DE 102 52 934 A1 (Figur 17)). Dieses Koordinatennetz erstreckt sich sinnvollerweise über das gesamte Spielfeld und auch darüber hinaus. Da diese zur Überwachung vorgesehene Fläche vergleichsweise groß ist und die Messgenauigkeit mindestens im Zentimeterbereich liegen muss, erfordert das eine aufwändige und nahezu in Echtzeit arbeitende Signalverarbeitung.

Mittels vier Sender-Empfänger-Einheiten arbeitendes Ortungssystem für Feldspieler und Ball.LupeFigur 17: Ortungssystem für Spieler und Fußball mittels elektromagnetischen Wellen (DE 102 52 934 A1).


Einen Ball, mit dem eine derartige Positionsbestimmung recht genau möglich ist, zeigt die DE 103 50 300 A1 und die bereits in 6.1 erwähnte DE 10 2004 045 176 A1. Natürlich kann man sich aber auch nur darauf beschränken, etwa den Torbereich oder die Außenlinien messtechnisch zu beobachten, wie dies die US 2006/0 247 076 A1 oder die WO 2006/094 508 A1 vorsieht.

Einen anderen Ansatz bietet die DE 10 2007 015 493 A1 oder die EP 1 852 155 A1 (Figur 18). Bei letzterer erzeugen eine Anzahl von Spulen, die im Spielfeld, im Torbereich 300 und/oder an anderen relevanten Orten in Spielfeldnähe angebracht sind, statische Magnetfelder, die entsprechend der Entfernung von ihrer Quelle nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten variieren und sich gegenseitig beeinflussen. Das hierdurch entstehende "Magnetfeldmuster" 600 enthält eine Rauminformation, die zum Aufbau eines magnetischen Koordinatensystems genutzt werden kann. Ist folglich bekannt, wie das Magnetfeld auf dem gesamten Spielfeld oder speziell im Torraum gestaltet ist, und versieht man einen Fußball mit einem Magnetfeldsensor, der dieses Feld registriert und die Messwerte zur Auswertung weiterfunkt, ist eine genaue Ortsbestimmung möglich.

Ortungssystem, das in diesem Beispiel mit vier Kameras arbeitet, die insbesondere den Torraum überwachen.LupeFigur 18: Magnetisches Ortungssystem für Bälle (EP 1 852 155 A1)


Weitere Erfindungen, die lokal am Tor oder im Torbereich die Ortung mittels Magnetfeldern vorschlagen, wurden noch bis kurz vor der o.g. FIFA Entscheidung zum Patent angemeldet. Beispielhaft sei hier auf DE 10 2007 048 818 A1, DE 10 2007 009 232 B3 und insbesondere auf DE 10 2007 052 946 A1 verwiesen, bei welcher die Ortung mittels magnetischen Wechselfeldern, die sich etwa zwischen einer leiterbestückten Querlatte und einer ebensolchen Torlinie ausbilden, über einen Magnetfeldsensor im Ball erfolgt.

Patentdokumente zu diesem Abschnitt
PublikationsnummerJahrTitelKurzbeschreibung
DE 10 2007 052 946 A1   2007   Vorrichtung, Verfahren, Computerprogramm und System zum Erkennen, wenn ein Objekt oder eine Person eine durch ein magnetisches Feld markierte Grenze überschreitet   Bestimmung der Position des Fußballs mit Magnetfeldsensor über seine Lage gegen ein magnetisches Wechselfeld zwischen Torlinie und Querlatte  
DE 10 2007 048 818 A1   2007   Automatische Positionsbestimmung eines Objektes, insbesondere eines Fußballs   Bestimmung der Position des Fußballs mit Magnetfeldsensor über seine Lage gegen ein magnetisches Wechselfeld zwischen elektrischen Leitern im Torbereich 
DE 10 2007 046 366 A1   2007   Konzept zur Positionsmessung durch Phasenvergleich eines modulierten Signals   Elektromagnetische Ortungsmethode mit einer Vielzahl von Empfangsantennen, die von Ball und Spielern ausgehende Funksignale aufzeichnen  
DE 10 2007 015 493 A1   2007   Bewegungsbereich für einen mobilen Gegenstand und Auswertungsvorrichtung zum Feststellen einer Position eines mobilen Gegenstands   Bestimmung der Position des Fußballs mittels statischer Magnetfelder und deren räumlicher Geometrie mittels eines Magnetfeldsensors im Fußball  
DE 10 2007 009 232 B3   2007   Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem Torraum zur Torentscheidung   Bestimmung der Ballposition anhand induktiver Effekte in einem Spulensystem  
EP 1 852 155 A1   2006   System und Verfahren zur Positionsbestimmung eines beweglichen Objekts mittels Magnetfeldern   Bestimmung der Position des Fußballs mittels statischer Magnetfelder und deren räumlicher Geometrie 
WO 2006/094 508 A1   2005   Goal detector for detection of an object passing a goal plane  Mittels elektromagnetischer Wellen arbeitendes System zur Torüberwachung 
DE 10 2004 045 176 A1   2004   Blase  Fußball mit gekammerter Blase, tetraedrischer Aufhängung für einen zur Ortbestimmung geeigneten Sensor 
DE 103 50 300 A1   2003   In Kompartimente unterteilter Ball mit integrierten elektronischen Übertragungsmitteln  Fußball mit gekammerter Blase, und zentral angeordnetem zur Ortbestimmung geeigneten Sensor 
US 2006/0 247 076 A1   2003   Goal detector for detection of an object passing a goal plane   Mittels elektromagnetischer Wellen arbeitendes System zur Torüberwachung 
DE 102 52 934 A1   2002   Verfahren zur kontinuierlichen Echtzeitverfolgung der Position von wenigstens einem mobilen Objekt sowie zugehörigen Sendern und Empfängern  Ortung des Fußballs und von Spielern auf dem Spielfeld mittels Mikrowellen 

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6.3.2 ...mittels optischer Verfahren

Ortungssystem, das in diesem Beispiel mit vier Kameras arbeitet, die insbesondere den Torraum überwachen.LupeFigur 19: Optisches Ortungssystem für Bälle (EP 1 402 476 B1).

Neben den o.g. Verfahren kann man prinzipiell auch optisch bestimmen, wo sich ein Ball gerade befindet. Dazu kann der Ball - muss aber nicht - mit elektronischen Bauteilen bestückt sein. Zum Einsatz kommen hier beispielsweise hochauflösende das gesamte Spielfeld überwachende Kamerasysteme (EP 1 402 476 B1, Figur 19) oder Photodetektoren (z.B. Lichtschranken) an oder in den Spielmarkierungen (z.B. WO 2007/125 476 A1 mit zusätzlichem Transponder im Ball).

Wie DE 10 2007 049 147 A1 (Figur 20) zeigt, kann ein Kamerasystem 26,28 auch mit weiteren optischen Sensoren wie PMDs 22 oder Lidar kombiniert werden, was eine besonders große Informationsdichte und folglich eine gute Genauigkeit verspricht.

Kombiniertes optisches Ortungssystem für Bälle LupeFigur 20: Kombiniertes optisches Ortungssystem für Bälle (DE 10 2007 049 147 A1).

Ergänzend sei gesagt, dass auch nur optische Teillösungen bekannt sind, wie etwa aus WO 2006/111 928 A2, die sich auf die optische Echtzeit-Bestimmung von Abseitssituationen spezialisiert hat. Der Vollständigkeit halber sei auch das optische System aus GB 2 357 207 A erwähnt, das heute häufig im Cricket und beim Tennis eingesetzt wird und sich Hoffnungen machte, auch beim Fußball erfolgreich zum Zug zu kommen.

Patentdokumente zu diesem Abschnitt
PublikationsnummerJahrTitelKurzbeschreibung
DE 10 2007 049 147 A1   2007   Sensorsystem zum Erfassen von Bewegungsabläufen oder Spielsituationen beim Sport   Kombiniertes optisches Positionsbestimmungssystem mit Kameras, PMDs und/oder Lidar  
WO 2007/125 476 A1   2006   Marking system for sport areas   Positionsbestimmungssystem mit Photodetektoren und Transponder im Ball 
WO 2006/111 928 A2   2005   Method and system for the detection and the classification of events during motion actions   Optisches Abseitsbestimmungssystem 
EP 1 402 476 B1   2002   System and method for the measurement of the relative position of an object with respect to a point of reference  Optische Positionsbestimmungsmethode mittels mehrerer Kameras 
GB 2 357 207 A   1999   Ball tracking and trajectory prediction  Aus dem Cricket und Tennis bekanntes Ballverfolgungssystem 

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6.4 Multisensorsysteme rund um den Fußball

Es ist auch durchaus üblich, einen Fußball mit einem Chip auszustatten, der mehrere physikalische Parameter messen kann.

Als Beispiel hierfür kann die in der DE 103 38 620 A1 beschriebene zeitgleiche Bestimmung der Position des Balles auf einem Spielfeld und der auf den Ball wirkenden Kräfte dienen. Hierzu wird der Fußball mit einem Radiowellensender ausgestattet, der aktiv mit lokal fixierten Empfängereinheiten außerhalb des Spielfeldes kommuniziert und in dem so festgesetzten Koordinatensystem eine Ortsbestimmung zulässt. Als weitere Sensoren werden Beschleunigungs- oder Drucksensoren integriert. Diese nutzen den Sender zusätzlich zur Übertragung von im Ball ermittelten Messdaten.

Als Entscheidungshilfe für den Schiedsrichter ob z.B. ein Abseits vorliegt, ist es ferner wichtig, die Position des Balles im Vergleich zu der der Spieler zu kennen. Die DE 100 29 459 A1 stattet zu diesem Zweck sowohl den Ball als auch die Spieler mit Sendern aus, die an der Kleidung anzubringen sind. Weitere Schriften aus diesem Umfeld gestalten diese Zusammenhänge (z.B. Eichung der Sensoren: DE 100 29 456 A1, Peripheriebedingungen: DE 100 55 289 A1) und die Verarbeitung der gewonnenen Daten aus (DE 100 29 463 A1, DE 100 29 464 A1).

Weitere Beispiele, bei denen einige der hier behandelten Aspekte aus dem Blickwinkel des Referees betrachtet werden, finden sich im Kapitel "Schiedsrichterausrüstung".

System zur Messung mehrerer physikalischer Parameter am Ball und zur Identifizierung von SpielernLupeFigur 21: System zur Messung mehrerer physikalischer Parameter am Ball und zur Identifizierung von Spielern (US 2006 / 0 178 235 A1).


In unserer statistikversessenen Zeit scheint es jedoch auch wichtig, personenbezogene Daten aufzunehmen, so dass die Spielweise eines Fußballers z.B. über seine Ballbehandlung, sein Zweikampfverhalten und die Effektivität seiner Aktionen in Zahlen gegossen werden kann. Dazu muss nicht nur der Ball elektronisch identifizierbar und zu orten sein, sondern jeder einzelne Spieler. Um z.B. die Art und Anzahl der Ballkontakte eines Spielers zu dokumentieren, muss dieser wie eine Milchtüte im modernen Supermarkt einen individuellen RFID-Chip tragen. Dieser RFID-Chip wird aktiv, sobald der Ball, der einen ähnlich gearteten Transponder führt, nahe genug an einem oder mehreren Spielern ist, um diese zu identifizieren. Wird der Ball im Spiel berührt, wird dieses registriert und z.B. die Art der Ballbehandlung von einer im Ball angebrachten Sensorphalanx aufgezeichnet, bevor die Messdaten letztlich an einen Zentralrechner weitergeleitet werden. Dieser bereitet die Daten zur Analyse des Spielverhaltens, zur Unterstützung des Schiedsrichters oder für beliebige statistische Zwecke auf. Beispiele hierfür sind die US 2006/0178 235 A1 (Figur 21), DE 10 2007 001 820 B3 oder die DE 10 2005 036 355 A1.

Ob sich sensorbestückte Bälle irgendwann doch noch im regulären Spielbetrieb durchsetzen, bleibt abzuwarten und hängt von weiteren Entscheidungen der Fußballverbände ab.

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Patentdokumente zu diesem Abschnitt
PublikationsnummerJahrTitelKurzbeschreibung
DE 10 2007 001 820 B3   2007   Konzept zur Erkennung eines Kontakts mit einem Spielgerät   Magnetfeldsensor im Fußball registriert über von einem Felderzeuger am Spieler stammendes Magnetfeld ob ein Ballkontakt stattgefunden hat 
US 2006/0 178 235 A1   2006   Apparatus and method for determining participant contact with a sports object   Messsystem zur Feststellung der Häufigkeit und Art von Ballkontakten eines oder mehrerer Spieler 
DE 10 2005 036 355 A1   2005   Verfahren zur Erfassung der Kraft- und Bewegungsverhältnisse an einem Spielgerät   Sensor zur Feststellung der auf einen Ball einwirkenden Kräfte und Überwachungssystem für Spieler 
DE 103 38 620 A1   2003   Ballsensor   Fußball mit Radiowellensender zu seiner Positionsbestimmung und weiteren Sensoren 
DE 100 55 289 A1   2000   System zur Bestimmung der Position eines Objektes   Peripheriebausteine für die Ortsbestimmung eines Fußballs auf dem Feld 
DE 100 29 464 A1   2000   Einrichtung und Verfahren zur medialen Aufbereitung von statischen Zuständen und/oder Bewegungsabläufen   Verfahren zur Verarbeitung von Daten, die zur Ortsbestimmung eines Fußballs dienen 
DE 100 29 463 A1   2000   Auswerteeinheit und Verfahren zur Auswertung von statischen Zuständen und/oder Bewegungsabläufen   Verfahren zur Verarbeitung von Daten, die zur Ortsbestimmung eines Fußballs dienen 
DE 100 29 459 A1   2000   Einrichtung zur Erfassung der Position und/oder Bewegung eines Objekts und/oder Lebewesens sowie Teile dieser Einrichtung   Vorrichtung zur Bestimmung der Position des Balles relativ zu der der Spieler; beide sind mit Sendern ausgerüstet  
DE 100 29 456 A1   2000   Verfahren zur Eichung eines Sensorsystems   Eichverfahren für die Ortsbestimmung eines Fußballs auf dem Feld 
DE 100 29 459 A1   2000   Spielgerät, Einrichtung zur Erfassung des Spielgeräts sowie Teile dieser Einrichtung   Elastische, tetraedrische Fixierung eines Positionssenders im Zentrum eines Fußballs 

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