VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR TORENTSCHEIDUNG MITTELS MAGNETFELDER IN EINEM TORRAUM

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konzept zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem Torraum zur Positions ^¬ bestimmung eines beweglichen Objekts, wie es beispielsweise beim Fußball zur Torentscheidung eingesetzt werden kann.

Eine Vielzahl von Aufgaben, wie beispielsweise eine Ballortung bei einem Fußballspiel, setzt eine Kenntnis von Position und/oder Orientierung von Objekten voraus. Beim Fuß- ballspiel ist eines der umstrittensten Themen, ob in kritischen Situationen der Ball die Torlinie überschritten hat oder nicht. Hierzu ist es notwendig, dass die Position des Balls innerhalb eines begrenzten Torraums um die Torlinie mit einer Genauigkeit von ca. +/-1,5 cm gemessen werden kann. Außerdem dürfen Einflüsse von Personen, die sich nahe des Balls bewegen bzw. den Ball abdecken, keine Rolle spielen.

Es existieren zahlreiche Lokalisationsverfahren, die bei- spielsweise auf optischen 2-D- oder 3-D-Sensoren mit einem Auswertesystem, einer Ausnutzung des bekannten Radarprinzips oder eines Prinzips der Funklokalisierung basieren.

Ein Prinzip der Funklokalisierung ist die Lokalisierung von Objekten durch elektromagnetische Wellenausbreitung. Dabei wird ein Empfänger in ein zu lokalisierendes Objekt integriert bzw. an einem zu lokalisierenden Objekt angebracht, der bei Anfrage Daten an eine zentrale Sende- /Empfangsvorrichtung schickt. Eine Position des Objekts kann danach aus Signallaufzeiten bzw. aus Differenzen zwischen wenigstens zwei an unterschiedlichen Antennen empfangenen Signalen berechnet werden.

Funklokalisierung von Objekten kann beispielsweise mittels der sog. RFID-Technologie (RFID = Radio Frequency Identification) durchgeführt werden. Für ortsauflösende Verfahren, bei denen eine relativ exakte Position eines RFID- Transponders im Raum ermittelt werden soll, werden zumeist batteriebetriebene, d.h. aktive RFID-Transponder verwendet. Ein Nachteil der Funklokalisierung besteht beispielsweise in einer Abschattung und/oder in einer Reflexion elektromagnetischer Wellen durch bestimmte Hindernisse. Dadurch erreichen Systeme basierend auf einer Funklokalisierung beispielsweise nicht die für eine Torentscheidung beim Fußball benötigte Genauigkeit.

Wie bereits beschrieben, basieren derzeitige Lokalisations- verfahren beispielsweise auf optischen 2-D- oder 3-D-Sensoren mit einem Auswertesystem, oder sie basieren auf dem Einsatz von batteriebetriebenen, d.h. aktiven RFID-Transpondern. Solche Lokalisationsverfahren ziehen hohe Investitions- und Wartungskosten, Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen und einen großen Aufwand zur Anpassung der Auswertealgorithmen nach sich. Für eine Nahbereichslokalisierung, d.h. einer Positionsbestimmung von Objekten innerhalb eines kleinen Bereichs, sind Systeme, die eine Funklokalisierung nutzen, nicht geeignet, da bei einer geringen geometrischen Ausdeh- nung Unterschiede von verschiedenen Signallaufzeiten kaum noch messbar sind. Die Anforderungen an Systeme zur Lokalisation von Objekten werden also von diesen Verfahren in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit, Robustheit, Taktzeit und Objektunabhängigkeit für eine exakte Positionsbestimmung, bei- spielsweise in einem Bereich von wenigen Zentimetern, nicht bzw. nur unzureichend erfüllt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Konzept zur Lokalisierung von beweglichen Objekten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein System gemäß Anspruch 14, ein Verfahren gemäß Anspruch 23 und ein Computer-Programm gemäß Anspruch 25 gelöst.

Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Position, Richtung und/oder Bewegung eines beweglichen Objekts bzw. eines Balls bestimmt werden kann, indem eine Stärke und/oder Orientierung eines wechselnden Magnetfeldes am Ort des beweglichen Objekts gemessen wird. Ein System zur Positionsbestimmung eines Balls umfasst gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen zwei parallel zu einer durch ein Tor definierten, begrenzten Torfläche angeordneten Spulen, wobei eine erste Spule in einem Bereich hinter dem Tor angebracht ist und eine zweite Spule näher an dem Tor als die erste Spule oder mit dem Tor identisch angebracht ist, also beispielsweise innerhalb des Torrahmens verläuft. Die erste Spule und die zweite Spule weisen jeweils eine Spulenimpedanz auf, wobei die Spulenimpedanz der zweiten Spule so eingestellt ist, dass ein auf- grund eines magnetischen Feldes der ersten Spule erzeugtes magnetisches Feld der zweiten Spule das magnetische Feld der ersten Spule an einer Stelle innerhalb der zweiten Spule um wenigstens 20% reduziert. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann ein Teil des von der ersten Spule hervorgeru- fenen magnetischen Wechselfeldes eine Induktion in der zweiten Spule hervorrufen, die, aufgrund ihrer niedrigen GesamtImpedanz ein Gegenfeld zu dem von der ersten Spule erzeugten Magnetfeld erzeugen kann. Dadurch reduziert sich eine magnetische Feldstärke innerhalb der von der zweiten Spule umspannten Torfläche.

Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein System zum Ermitteln von Informationen über eine Position eines beweglichen Objekts in einem Torraum, in dem wenigs- tens zwei Spulen parallel zu einer durch ein Tor definierten, begrenzten Torfläche angebracht sind, wobei eine erste Spule in einem Bereich hinter dem Tor angebracht ist und eine zweite Spule näher an dem Tor als die erste Spule oder

mit dem Tor identisch angebracht ist, wobei die erste Spule und die zweite Spule jeweils eine Spulenimpedanz aufweisen, wobei die Spulenimpedanz der zweiten Spule so eingestellt ist, dass ein aufgrund eines magnetischen Feldes der ersten Spule erzeugtes Feld der zweiten Spule das magnetische Feld der ersten Spule an einer Stelle innerhalb der zweiten Spule um wenigstens 20% reduziert, mit einer Vorrichtung zum Liefern einer Information über ein Magnetfeld, das das bewegliche Objekt an der Position im Torraum erfährt und ei- ner Vorrichtung zum Auswerten der Information über das Magnetfeld, um die Informationen über die Position des beweglichen Objekts im Torraum zu erhalten.

Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung be- findet sich die Vorrichtung zum Liefern einer Information über das Magnetfeld im beweglichen Objekt bzw. Ball selbst. Somit kann anhand der Information bzw. einer magnetischen Feldstärke des von der ersten Spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes bestimmt werden, ob der Ball die Torlinie ü- berschritten hat oder nicht. Dazu umfasst der Spielball gemäß Ausführungsformen einen Chip, auf dem ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor, ein Mikrocontroller, eine Sendeeinheit und eine Stromversorgung untergebracht ist. Der Spielball misst ständig das ihn umgebende Magnetfeld und sendet die Stärke des Feldes aller drei Raumkoordinaten (x,y,z) zu der Vorrichtung zum Auswerten der Information über das Magnetfeld, die sich beispielsweise in einem zentralen Rechner befindet. Je dichter der Spielball der ersten Spule hinter dem Tor kommt, desto größer wird die vom Ball gemessene magnetische Feldstärke des von der ersten Spule erzeugten Magnetfeldes, im Nachfolgenden auch erstes Magnetfeld genannt. Die Feldstärke des erstes Magnetfeldes ist in der Torebene nicht konstant. Dadurch entstehen bezüglich einer Ortsbestimmung des Balls Mehrdeutigkeiten, die es zu korri- gieren gilt. Hierzu werden weitere Informationen über einen Punkt der Durchdringung der Torebene benötigt.

Dies kann gemäß Ausführungsbeispielen dadurch erreicht werden, dass eine Feldstärke und Richtung des von der zweiten Spule erzeugten Magnetfeldes gemessen wird, wobei das von der zweiten Spule erzeugte Magnetfeld im Nachfolgenden auch zweites Magnetfeld genannt wird. Erstes und zweites Magnetfeld werden dabei in einem Frequenzmultiplex, d.h. mit unterschiedlichen Frequenzen, oder in einem Zeitmultiplex, d.h. zeitlich abwechselnd, erzeugt.

Eine Differenz der Richtungen bzw. Orientierungen des ersten und des zweiten Magnetfeldes ergibt einen Winkel, welcher umso größer wird, je weiter sich der Spielball außerhalb der Tormitte befindet. Zusätzlich ändert sich die gemessene Feldstärke des von der zweiten Spule erzeugen Mag- netfeldes je nach dem, ob sich der Ball in der Tormitte o- der am Rand des Tores befindet. Der Winkel und die Feldstärke der zweiten Spule werden gemäß Ausführungsbeispielen als Parameter zur Korrektur der Feldstärke des von der ersten Spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes verwendet. Nun kann die Feldstärke der ersten Spule verwendet werden, um eine Distanz des Balls zur Torebene zu bestimmen.

Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die zweite Spule im bzw. am Torrahmen ange- bracht und weist eine möglichst niedrige Impedanz auf. Auch eine Ansteuerelektronik der zweiten Spule weist gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen eine wechselstrommäßig sehr niedrige Impedanz auf. Dadurch kann die zweite Spule als kurzgeschlossene Sekundärwicklung der primären ersten Spule wirken, d.h. in einem Kurzschlussbetrieb versetzt werden. Ein Teil des von der ersten Spule hervorgerufenen magnetischen Wechselfeldes kann somit eine Induktion in der zweiten Spule hervorrufen. Aufgrund der niedrigen Gesamtimpedanz der zweiten Spule kann der in der zweiten Spule indu- zierte Strom ein Gegenfeld zu dem von der ersten Spule erzeugten Magnetfeld erzeugen. Dadurch werden Feldlinien des Magnetfeldes der ersten Spule in der von der zweiten Spule umspannten Fläche, d.h. der Torfläche, gedämpft. Außerhalb

der von der zweiten Spule umspannten Fläche kann sich das Gegenfeld und das Magnetfeld der ersten Spule summieren. Dadurch wird die Gesamtmagnetfeldstärke außerhalb der zweiten Spule erhöht. Dieser durch das Gegenfeld der zweiten Spule hervorgerufene starke Feldunterschied an den Außengrenzen der zweiten Spule ermöglicht es extrem genau festzustellen, ob der Spielball innerhalb oder außerhalb des Tores ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die zweite Spule durch einen Schalter in einem Kurzschlussbetrieb oder in einem Leerlaufbetrieb betrieben werden. Wenn sich der Spielball in der Nähe der Torebene bzw. im Torraum um die Torlinie befindet, kann er, je nach dem, ob der Schalter geschlossen oder offen ist, ein unterschiedliches Magnetfeld messen, welches von der ersten Spule hinter dem Tor erzeugt wird. Ist der Schalter der zweiten Spule offen, wird der Spielball ein ungestörtes magnetisches Wechselfeld der ersten Spule messen, welches in der Tormit- te am stärksten ist und zu den Torrändern in einer charakteristischen Weise abfällt. Ist der Schalter der zweiten Spule geschlossen, so wird der Spielball mit seiner Elektronik innerhalb der von der zweiten Spule begrenzten Torfläche ein niedrigeres Magnetfeld messen, außerhalb der Torfläche kann ein stärkeres Magnetfeld gemessen werden. Zudem kann eine änderung von magnetischen Feldrichtungen beim Schließen bzw. öffnen des Schalters gemessen werden. Mit jedem Messzyklus stehen also drei Messwerte zur Verfügung, mit deren Hilfe gemäß Ausführungsbeispielen sehr ge- nau berechnet werden kann, ob und wo der Ball die Torebene durchquert hat. Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine Vorrichtung zum Auswerten also ausgebildet, um aus einer Sequenz von Messwerten einen Hinweis zu liefern, ob das bewegliche Objekt die Torebene durchquert hat, wobei eine erste Information eine Information über ein Magnetfeld der ersten Spule bei einem Leerlauf der zweiten Spule bedeutet, eine zweite Information eine Information über ein reduziertes Magnetfeld der ersten Spule bei kurzgeschlossener zwei-

ter Spule bedeutet und eine dritte Information eine Information über eine änderung zwischen der ersten Information und der zweiten Information bedeutet.

Das erfindungsgemäße System ermöglicht in Richtung senkrecht auf die Torebene eine relativ exakte Messung der Feldstärke der ersten Spule. Parallel zur Torebene wird ohne einen Einfluss der zweiten Spule eine sehr geringe Feldänderung des von der ersten Spule erzeugten Magnetfeldes gemessen. Somit wäre es also nur bedingt möglich zu erkennen, ob der Spielball an einem Torpfosten vorbei oder über die Querlatte geflogen ist.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die niedrige Impedanz der zweiten Spule einem durch das erste Magnetfeld und durch das Gegenfeld der zweiten Spule erzeugten Gesamtmagnetfeld ein sehr starker Signalunterschied aufgeprägt werden kann, der sich gerade an so wichtigen Stellen wie Torpfosten bzw. Querlatte befindet. Dadurch kann ermöglicht werden, diese kritischen Positionen fehlerfrei zu entscheiden.

Damit besteht mit dem erfindungsgemäßen Konzept die Möglichkeit, die Position eines Spielballs in einem Torraum bzw. einer Torebene sehr exakt zu bestimmen und damit eine Torentscheidung ohne Eingriff in einen Spielbetrieb eines Ballspiels treffen zu können.

Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Konzept zur Torent- Scheidung beispielsweise gegenüber Personen tolerant, d.h. Einflüsse von Personen, die sich nahe des beweglichen Objekts bzw. des Spielballs bewegen bzw. das beweglich Objekt abdecken, spielen keine Rolle.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. Ia eine schematische Darstellung magnetischer Feldlinien um eine stromdurchflossene Zylinderspule zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzepts;

Fig. Ib eine schematische Darstellung eines Verlaufs einer magnetischen Feldstärke in einem Nahbereich um eine Zylinderspule aufgetragen über einem Abstand von der Zylinderspule;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Fußballtores mit einer ersten Spule gewickelt um eine durch Netzaufhängungspfosten und Netzaufhängungsquerlatte begrenzte Fläche und einer zweite Spule gewickelt um eine durch Torpfosten und Torquerlatte begrenzte Fläche, wobei die Spulen mit einer Vorrichtung zum Ansteuern der Spulen gekoppelt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Frontansicht einer ersten Spule hinter einem Fußballtor und einer zweiten Spule in einem Fußballtor und eines von der ersten Spule erzeugten Feldlinienverlaufs innerhalb der von der zweiten Spule umspannten Fläche;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer ersten und einer zweiten Spule mit einem Feldlinienverlauf eines von der ersten Spule erzeugen ungestörten Magnetfeldes;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer magnetischen Feldstärkeverteilung innerhalb einer Rechteckspule;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer ein Magnetfeld erzeugen- den ersten Spule und einer leerlaufenden zweiten

Spule mit resultierendem Feldlinienverlauf, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer ein Magnetfeld erzeugenden ersten Spule und einer kurzgeschlossenen zweiten Spule mit resultierendem Feldlinienver- lauf, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Feldstärkeverlaufs über einer Entfernung von der Torlinie;

Fig. 9 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Treffen einer Torentscheidung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem Torraum;

Fig. 11 eine Seitenansicht einer ersten Spule und einer zweiten Spule in einem Torrahmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 12 einen Querschnitt durch einen Torpfosten mit Ka- belkanälen.

Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleich oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.

Um das erfindungsgemäße Konzept zur Positionsbestimmung eines beweglichen Objektes mittels Magnetfeldern näher zu erläutern, zeigt Fig. Ia eine schematische Darstellung magne-

tischer Feldlinien um eine von einem Strom I durchflossene zylindrische Spule 100.

Bekanntermaßen ist mit jeder bewegten Ladung (Elektronen in Leitungen oder im Vakuum) , also einem Stromfluss ein magnetisches Feld verbunden. Die der Ursache des magnetischen Feldes zugeordnete Feldgröße ist die magnetische Feldstärke H, unabhängig von den Materialeigenschaften des Raumes. Zur Erzeugung eines statischen magnetischen Feldes können bei- spielsweise kurze Zylinderspulen oder Leiterschleifen als magnetische Antennen dienen. Generell nimmt die magnetische Feldstärke H mit zunehmendem Abstand von einem stromdurch- flossenen Leiter bzw. der stromdurchflossenen Zylinderspule 100 ab. Entfernt man beispielsweise einen Messpunkt aus dem Zentrum der Spule 100 in Richtung der Spulenachse (x- Achse) , so wird die Feldstärke H des Magnetfeldes kontinuierlich mit dem Abstand x abnehmen. Dieser Zusammenhang ist exemplarisch in Fig. Ib dargestellt.

Fig. Ib zeigt in logarithmischer Darstellung schematisch einen Verlauf der magnetischen Feldstärke H in einem Nahbereich der stromdurchflossenen Zylinderspule 100 bei zunehmendem Abstand in x-Richtung, d.h. in Richtung der Spulenlängsachse. Dabei kennzeichnet die Kurve mit dem Bezugszei- chen 110 exemplarisch einen Feldstärkeverlauf bei einem relativ großen Radius R der Windungen der Spule 100. Die Kurve mit dem Bezugszeichen 120 kennzeichnet entsprechend einen Verlauf der magnetischen Feldstärke H bei einem mittlerem Windungsradius R. Dementsprechend bedeutet die Kurve mit Bezugszeichen 130 einen schematischen Feldstärkeverlauf bei einem kleinen Windungsradius R der Spule 100.

Im freien Raum beträgt der Feldstärkeabfall im sog. Nahfeld der Spule zunächst ca. 60 dB pro Dekade, um dann im Fern- feld bei einer sich ausbildenden elektromagnetischen Welle auf 20 dB pro Dekade abzuflachen. Bei genauerer Betrachtung erkennt man, dass die Feldstärke H je nach Radius (bzw. Fläche) der Spule 100 bis zu einer bestimmten Entfernung x

nahezu konstant verläuft, dann jedoch abfällt. Die in Fig. Ib dargestellten magnetischen Feldstärkekurven beziehen sich auf einen Nahbereich der Zylinderspule 100, d.h. einen Bereich um die Zylinderspule 100 von wenigen Metern. Somit ist es möglich, jeder magnetischen Feldstärke H eine Entfernung x von der Zylinderspule 100 zuzuordnen. Beispielsweise ergibt sich bekanntermaßen für einen Feldstärkeverlauf entlang der Spulenlängsachse x einer runden von einem Strom I durchflossenen Spule folgende Beziehung:

wobei N die Anzahl der Spulenwindungen, R den Windungsradius und x den Abstand zur Spulenmitte in x-Richtung bedeu- ten. Als Randbedingung für die Gültigkeit der Beziehung (1) gilt h << R, d.h. eine Spulenhöhe h muss viel kleiner als der Spulenradius sein, und x < λ/2π (λ = Wellenlänge) , wobei in einem Abstand x > 2π ein übergang in das elektromagnetische Fernfeld der Spule 100 beginnt.

Obige Gleichung (1) dient lediglich zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke von der Entfernung von einer magnetischen Antenne bzw. Spule. Gleichermaßen können Gleichungen aufgestellt werden, die einen Feldstärkeverlauf um eine Spule im dreidimensionalen Raum beschreiben. Zusätzlich zu einem Betrag der magnetischen Feldstärke H existiert auch noch eine Ausrichtung bzw. Orientierung eines magnetischen Feldvektors H . Werden die drei Komponenten (B _x , B _y , B ₂ ) des magnetischen Feldvektors H am Ort des beweglichen Objektes gemessen, so können gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Gleichungssystem die Raum-Koordinaten (x, y, z) desjenigen Ortes bestimmt werden, an dem der magnetische Feldvektor H gemessen wurde. Um Mehrdeutigkeiten aus- schließen zu können, benötigt man im Allgemeinen Messwerte des magnetischen Feldvektors H von mehreren Spulen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das von der Spule 100 erzeugte magnetische Feld dreidimensional mit einer gewünschten Ge- nauigkeit in einem Ortsbestimmungsbereich um die Spule 100 auszumessen und die Messwerte bzw. die Komponenten (H _x , H _y , H _z ) des Feldvektors H für jeden relevanten Raumpunkt beispielsweise in einer sogenannten Lookup-Tabelle den jeweiligen Raumkoordinaten (x, y, z) der Raumpunkte zuzuordnen und zu speichern. Genauso ist es natürlich denkbar, dass die Feldstärken und Feldrichtungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem interessierenden Bereich um die Spule herum mittels mathematischer Formeln berechnet werden, um anschließend in einer Lookup-Tabelle den entsprechenden Koordinaten (x, y, z) zugeordnet zu werden. Wird anschließend eine Feldstärke und die zugehörige Feldrichtung an einem beliebigen Ort des Ortsbestimmungsbereichs bzw. des Torraums um die Spule herum gemessen, so können die Messwerte daraufhin mit den vor- ab gemessenen oder berechneten und gespeicherten Werten aus der Lookup-Tabelle verglichen werden. Der Datensatz, der die besten Treffer hat, bezeichnet schließlich den Ort der Messung .

Rotiert das bewegliche Objekt bzw. ein in dem beweglichen Objekt integrierter dreidimensionaler Magnetfeldsensor, so ist es im Allgemeinen nicht möglich, die von dem Magnetfeldsensor gemessenen Komponenten (H _x , H _y , H _z ) eines Magnetfeldes einem Raumpunkt in dem Ortsbestimmungsbereich ein- deutig zuzuordnen. In diesem Fall kann jedoch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Betrag des gemessenen Magnetfeldvektors IHI = (H _x ² + H _y ² + H _z ² ) ^1/2 eine Information über die Position des beweglichen Objekts bzw. Balls in dem Ortbestimmungsbereich bzw. Torraum liefern. Bei Verwendung nur einer Spule bzw. nur eines Magnetfeldes ergeben sich bzgl. der Position Mehrdeutigkeiten, da Kurven bzw. Flächen um die Spulen herum existieren, auf denen der Betrag des gemessenen Magnetfeldvektors |H| jeweils gleich

ist. Verwendet man hingegen wenigstens zwei Spulen, die an verschiedenen Positionen bezüglich des Ortsbestimmungsbereichs angeordnet sind, so können diese Mehrdeutigkeiten verringert bzw. ganz ausgeschlossen werden.

Dieses Prinzip macht man sich nun gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zunutze, um beispielsweise eine Position eines Balls mittels Magnetfeldern bestimmen zu können. Wie eingangs bereits erwähnt, ist beispielsweise bei einem Fußballspiel eines der umstrittensten Themen, ob in kritischen Situationen der Ball die Torlinie überschritten hat oder nicht. Dazu ist es notwenig, dass die Position des Balls an der Torlinie mit einer Genauigkeit von ca. +/- 1,5 cm gemessen werden kann. Eine Anordnung, welche eine Positionsbestimmung eines Fußballs mittels Magnetfeldern ermöglicht, ist schematisch in Fig. 2 gezeigt.

Fig. 2 zeigt ein Fußballtor 200, das einen ersten Pfosten 100a, einen zweiten Pfosten 100a und eine Querlatte 200c umfasst. Ferner weist das Fußballtor 200 eine Netzaufhängung mit einem ersten Netzaufhängungspfosten 20Od, einem zweiten Netzaufhängungspfosten 20Oe und einer Netzaufhängungsquerlatte 20Of auf. Das Fußballtor 200 steht mit seinen Pfosten 200a, 200b auf einer Torlinie 210.

Die Netzaufhängungspfosten 20Od, e, die Netzaufhängungsquerlatte 20Of und ein Bereich 220 unter der Erdoberfläche bilden einen Rahmen einer ersten rechteckigen Spule 100a hinter dem Tor 200, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in den Netzaufhängungspfosten 20Od, e, in der Netzaufhängungsquerlatte 20Of und in dem Bereich 220 unterhalb der Erdoberfläche um die Netzaufhän- gungsöffnungsflache gewickelt ist.

Die Torpfosten 200a, b, die Querlatte 200c und die Torlinie 210 bilden einen Rahmen einer zweiten rechteckigen Spule 100a, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in den Torpfosten 200a, b, in der Querlatte 200c

und in einem Bereich unterhalb der Torlinie 210 um die Toröffnungsfläche gewickelt ist.

Die beiden Spulen 100a, b bilden gemäß einem Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung also ein Spulenpaar ähnlich einem Helmholtz-Spulenpaar. Ferner zeigt Fig. 2 in einem Bereich vor dem Fußballtor 200 ein bewegliches Objekt bzw. Ball 230, dessen Position bestimmt werden soll. Ferner zeigt Fig. 2 eine Vorrichtung 240 zum Ansteuern der beiden Spulen 100a, b.

Die beiden Spulen 100a, b sind zumindest näherungsweise parallel zu einer durch das Tor 200 definierten und begrenzten Torfläche angeordnet. Die erste Spule 100a ist in einem Bereich hinter dem Tor 200 angebracht und die zweite Spule 100a ist erfindungsgemäß näher an dem Tor 200 als die erste Spule oder mit dem Tor 200 identisch angebracht. Eine Spulenimpedanz der zweiten Spule 100a ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung so eingestellt, dass ein aufgrund eines magnetischen Feldes der ersten Spule 100a erzeugtes Magnetfeld der zweiten Spule 100a das magnetische Feld der ersten Spule 100a an einer Stelle innerhalb der zweiten Spule 100a wenigstens 20% reduziert.

Gemäß Ausführungsbeispielen kann die erste Spule 100a hinter dem Tor 200 beispielsweise an einer Netzaufhängung des Tors 200 angebracht werden, so wie es beispielhaft in Fig. 2 gezeigt ist. Die Spulenöffnungsfläche der ersten Spule 100a kann gleich oder größer als die durch das Tor 200 definierte Torfläche sein. Das Zentrum bzw. der Schwerpunkt der ersten Spule 100a ist vorzugsweise mit dem Zentrum bzw. Schwerpunkt des Tores 200 zumindest näherungsweise identisch, d.h. eine senkrecht zu einem Schwerpunkt der be- grenzten Torfläche verlaufende Achse verläuft zumindest näherungsweise durch den Schwerpunkt der Spulenöffnungsfläche der ersten Spule. Außerdem ist die erste Spule 100a vorzugsweise absolut parallel zum Tor 200 ausgerichtet. Gemäß

Ausführungsbeispielen wird die zweite Spule 100a im Torrahmen angebracht, so wie in Fig. 2 gezeigt. Die zweite Spule 100a kann aber auch außerhalb des Torrahmens, beispielsweise an einer Netzbefestigung an dem Torrahmen montiert wer- den. Ein Spulenteil der zweiten Spule 100b, der an der Torlinie 210 verläuft, wird vorzugsweise wenige Zentimeter unterhalb der Torlinie 210 eingegraben.

Zur Bestimmung, ob der Ball 230 die Torebene durchquert hat, wird erfindungsgemäß die Feldstärke des von der ersten Spule 100a erzeugten Magnetfelds am Ort des Balls 230 bestimmt. Dazu weist der Spielball 230 beispielsweise einen Chip auf, auf dem ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor, ein MikroController, eine Sendeeinheit und eine Stromver- sorgung untergebracht ist. Der Spielball 230 bzw. der dreidimensionale Magnetfeldsensor misst ständig das ihn umgebende Magnetfeld und sendet die Stärke des Feldes aller drei Raumkoordinaten (x, y, z) beispielsweise an einen zentralen Rechner (nicht gezeigt) . Um die Magnetfelder der Spulen 100a, b vom Erdmagnetfeld und anderen magnetischen Feldern sicher unterscheiden zu können, wird in den Spulen 100a, b jeweils ein Wechselfeld erzeugt.

Beide Spulen 100a, b können, gemäß Ausführungsformen, ein Wechselfeld mit jeweils unterschiedlicher Frequenz abstrahlen, d.h. sie werden in einem Frequenzmultiplex betrieben. Dazu kann eine Frequenz eines magnetischen Wechselfelds einer der beiden Spulen 100a, b gemäß Ausführungsbeispielen beispielsweise in einem Bereich von 500 Hz bis 5 kHz lie- gen. Der in dem Ball 230 integrierte Magnetfeldsensor ist gemäß Ausführungsbeispielen mit einem elektrischen Filter verbunden, wodurch die unterschiedlichen Frequenzen separiert und zu einer Feldstärkemessung weitergeleitet werden können. Somit ist der Ball 230 in der Lage, die magnetische Feldstärke beider von den Spulen 100a, b erzeugter Magnetfelder getrennt, jeweils in den drei Raumrichtungen, zu erfassen und zu einer zentralen Steuereinheit, wie beispielsweise einem Personal Computer, zu senden.

Je dichter der Ball 230 der ersten Spule 100a kommt, umso größer wird die von dem Ball 230 bzw. dem Magnetfeldsensor gemessene magnetische Feldstärke. Die magnetische Feldstär- ke des von der ersten Spule 100a erzeugten Magnetfeldes bzw. des ersten Magnetfeldes ist in der Torebene, d.h. innerhalb der zweiten Spule 100b, nicht konstant. Dieser Zusammenhang ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorderansicht eines Fußballtores 200 mit einer hinter dem Tor 200 angeordneten ersten Spule 100a und einer mit dem Tor identisch angebrachten zweiten Spule 100b.

In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die erste Spule 100a hinter dem Tor 200 eine durch ihre Spulenwindungen begrenzte Spulenöffnungsfläche auf, die größer als die durch die Torpfosten 200a, b und die Querlatte 200c begrenzte Torfläche des Tores 200 ist. Dadurch, dass die zweite Spule 100b identisch mit dem Tor 200 angebracht ist, entspricht deren öffnungsfläche zumindest näherungsweise der Torfläche des Tores 200.

Wird lediglich die erste Spule 100a von einer Vorrichtung zum Ansteuern angesteuert, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, und wird die zweite Spule 100b in einem Leerlauf betrieben, so ergibt sich eine Verteilung magnetischer Feldlinien des durch die erste Spule 100a erzeugten Magnetfeldes, wie es in Fig. 3 schematisch durch Bezugszeichen 300 angedeutet ist. Innerhalb der Toröffnungsfläche des Tores 200 ergibt sich ein magnetischer Feldverlauf des ersten Magnetfeldes, derart, dass der Betrag des ersten Magnetfeldes innerhalb der Toröffnungsfläche von deren Zentrum nach außen hin abnimmt. Der Betrag der magnetischen Feldstärke des ersten Magnetfeldes ist in Fig. 3 durch die Dichte der aus der Zeichenebene herausweisenden Magnetfeldlinien 300 angedeutet. Je dichter die Magnetfeldlinien 300, desto höher der Betrag der magnetischen Feldstärke, und umgekehrt.

Geht es um eine Torentscheidung, d.h. einer Entscheidung, ob der Ball 230 die Torlinie 210 überschritten hat, kann es durch diese nicht konstante magnetische Feldstärkevertei- lung innerhalb der Toröffnungsfläche zu Mehrdeutigkeiten kommen. Ohne weitere Informationen kann eine Vorrichtung zum Auswerten beispielsweise nicht beurteilen, ob der Ball 230 die Torebene nahe eines Seitenpfostens 200a, b durchquert hat, oder ob sich der Ball vor der Torlinie 210 zum Spielfeld hin in einem Bereich nahe einer senkrecht zum Schwerpunkt (Mitte) der Torfläche verlaufenden Achse befindet. Um diese Mehrdeutigkeiten auszuräumen, werden weitere Informationen über den Punkt der Durchdringung der Torebene benötigt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Feldstärke und Richtung des Magnetfeldes der zweiten Spule 100b am Ort des bewegten Objekts bzw. des Balls 230 gemessen wird. Die Differenz der Richtungen des Magnetfeldes der ersten Spule 100a und des Magnetfeldes der zweiten Spule 100b ergibt einen Winkel α, der umso größer wird, je wei- ter sich der Ball 230 außerhalb der Tormitte befindet. Dieser Zusammenhang ist schematisch in Fig. 4 gezeigt.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Spule 100a und einer dazu parallel angeordneten zweiten Spule 100b und ei- nem ersten Feldlinienverlauf 300a des von der ersten Spule 100a erzeugten magnetischen Feldes und einen zweiten Feldlinienverlauf 300b des von der zweiten Spule 100b erzeugten magnetischen Feldes. In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind die Orientierungen der Feldlinien 300a und 300b inner- halb der Spule 100b entgegengesetzt.

Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, ergibt sich in der Mitte der zweiten Spule 100b bzw. des Tors 200 ein Winkel zwischen den Feldlinien 300a und 300b von näherungsweise 0°. Wandert von dem Spulenzentrum der zweiten Spule 100b aus nach außen, so wird der Winkel α, mit Bezugszeichen 310 gekennzeichnet, mit zunehmender Entfernung vom Spulenzentrum aus immer größer, so wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Zusätzlich zu dem Winkel α zwischen den Orientierungen der Magnetfelder ändert sich die vom Ball 230 gemessene Feldstärke des von der zweiten Spule 100b erzeugten Magnetfel- des je nach dem, ob sich der Ball in der Tormitte oder am Rand des Tores befindet. Dieser Zusammenhang ist schematisch in Fig. 5 gezeigt.

Fig. 5 zeigt eine Frontansicht der Tor- bzw. Spulenöff- nungsfläche der zweiten Spule 100b. Die mit dem Bezugszeichen 500 gekennzeichneten Linien bezeichnen schematisch eine Feldstärkeverteilung innerhalb der rechteckigen Spule 100b. Dabei bedeutet ein geringer Abstand zweiter benachbarter Linien 500 eine vergleichsweise hohe Feldstärke des magnetischen Feldes an der entsprechenden Position, wohingegen ein großer Abstand zweier Linien 500 einen vergleichsweise geringen Betrag der magnetischen Feldstärke innerhalb der Spule 100b bedeutet. Fig. 5 lässt erkennen, dass insbesondere in den Eckbereichen der zweiten Spule 100b größere magnetische Feldstärken vorherrschen als in der Mitte der Spule 100b. Dieser Sachverhalt lässt sich beispielsweise auch analytisch mit dem Gesetz von Biot- Savart zeigen. Im allgemeinen lässt sich ein Beitrag dH eines von einem Strom I durchflossenen infinitesimalen Lei- terstücks d/ zum Magnetfeld H in einem Punkt P gemäß

IdI x 7 dH(r) = (2)

4τzτ ³

berechnen. Dabei bedeutet r einen Verbindungsvektor vom Leiterstück zum Punkt P, an dem das Magnetfeld berechnet werden sollen. Für einen beliebigen (nicht notwendiger Weise geschlossenen) Leiter erhält man das Magnetfeld η als

Integral über den Leiter gemäß

Durch die in Fig. 5 dargestellte inhomogene Verteilung des Magnetfeldes innerhalb der zweiten Spule 100b entstehen Mehrdeutigkeiten bezüglich der Position des Balls 230. Würde lediglich die erste Spule 100a zur Positionsbestimmung des Balls 230 herangezogen, so könnte beispielsweise anhand einem gemessenen Magnetfeldbetrag nicht unterschieden werden, ob sich der Ball nahe einem Eck der zweiten Spule 100b bzw. des Tores 200 kurz vor bzw. hinter der Torlinie 210 befindet, oder beispielsweise in der Mitte der zweiten Spule 100b bzw. des Tores 200 auf Höhe der Torlinie 210 befindet. Es wird einen Punkt nahe dem Eckbereich der Spule 100b vor der Torlinie geben, an dem der Betrag der Magnetfeld- stärke zumindest näherungsweise genauso groß ist, wie an einem Punkt in der Mitte der Spule 100b auf Höhe der Torlinie 210 bzw. in der Ebene, die durch die Torlinie 210 und das Fußballtor 200 aufgespannt wird.

Um genau diese Mehrdeutigkeiten eliminieren zu können, ist die erste Spule 100a hinter dem Fußballtor 200 in der Netzaufhängung vorteilhaft. Durch isolierte Messungen der von der ersten Spule 100a und zweiten Spule 100b erzeugten Magnetfelder an dem Ort des Balls bzw. des beweglichen Objekts 230, können genug Informationen erhalten werden, um die genaue Position des Balls 230 innerhalb des Torraums ermitteln zu können.

Durch das Hinzuziehen der Messwerte des zweiten Magnetfel- des zu den Messwerten des ersten Magnetfeldes kann nun bestimmt werden, ob sich der Ball 230 nahe einem Eckbereich der Spule 100b vor der Torlinie 210, hinter der Torlinie 210 oder inmitten der Spule 200b bzw. des Tores 200 auf Höhe der Torlinie 210 befindet. Der anhand von Fig. 4 be- schriebene Winkel α zwischen den Feldlinien 300a des ersten und des zweiten Magnetfeldes 300b und die anhand von

Fig. 5 beschriebene Feldstärke der zweiten Spule 100b werden gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung also als Parameter zur Korrektur der Feldstärke des ersten Magnetfelds verwendet. Damit können die Feldstärke des ers- ten Magnetfeldes und die Parameter verwendet werden, um eine Distanz des Balls 230 zur Torebene zu bestimmen.

Gemäß weiteren Ausführungsformen können beide Spulen 100a, b zeitversetzt ein magnetisches Wechselfeld mit gleicher Fre- quenz abstrahlen, d.h. sie werden in einem Zeitmultiplex betrieben. Dabei wird in einem ersten Zeitintervall die erste Spule 100a aktiviert, während die zweite Spule 100b abgeschaltet ist, und das von der ersten Spule 100a erzeugte Magnetfeld wird vom Ball 230 bzw. dem Magnetfeldserisor im Ball gemessen. In einem zweiten Zeitintervall wird die zweite Spule 100b aktiviert, während die erste Spule abgeschaltet ist, woraufhin der Ball 230 das zweite Magnetfeld misst. Auch hier werden der Winkel α zwischen den Feldlinien 300a des ersten und des zweiten Magnetfeldes 300b und die Feldstärke der zweiten Spule 100b als Parameter zur Korrektur der Feldstärke des ersten Magnetfelds verwendet.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass nur eine Frequenz benötigt wird und damit ein Bauteilaufwand im Ball reduziert werden kann. Außerdem können Messfehler durch eine eventuelle gegenseitige Beeinflussung der Filter im Ball vermieden werden.

Ein Fußball kann in bestimmten Situationen in einem Fuß- balispiel Geschwindigkeiten von bis zu 140 km/h, d.h. ca. 40 m/s erreichen. Wird eine Messgenauigkeit von ca. +/- 1,5 cm gefordert, so sollte vorzugsweise der gesamte Messzyklus der beiden Spulen 100a, b in einem Zeitraum von ca. 375 μs geschehen. Der Zeitabstand der Messungen des ersten und des zweiten Magnetfeldes sollte bei dieser Ausführungsform also nicht zu groß gewählt werden. Ein zeitlich zu großer Abstand hätte negative Auswirkungen auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung .

Wichtig für eine Torenscheidung ist, dass erkannt werden kann, ob der Ball 230 innerhalb oder knapp außerhalb des Tores ist, d.h. beispielsweise knapp außerhalb des Tores 200 an einem Seitenpfosten 200a, b oder der Querlatte 200c ist. Um dies einfach und sicher entscheiden zu können, weist die zweite Spule 100b, welche am bzw. im Torrahmen angebracht ist, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine möglichst niedrige Impedanz auf. Auch eine Ansteuer- elektronik der zweiten Spule weist gemäß Ausführungsbeispielen wechselstrommäßig eine sehr niedrige Impedanz auf. Dadurch kann die zweite Spule 100b als kurzgeschlossene Sekundärwicklung der primären ersten Spule 100a wirken. Dies hat zur Folge, dass ein Teil des von der ersten Spule 100a hervorgerufenen magnetischen Wechselfeldes eine Induktion in der zweiten Spule 100b im bzw. am Torrahmen hervorruft. Aufgrund der niedrigen Gesamtimpedanz der zweiten Spule 100b und deren Ansteuerelektronik, erzeugt der in der Spule 100b induzierte Strom ein Gegenfeld zu dem Magnetfeld der ersten Spule 100a. Dadurch wird der Betrag der Feldstärke des ersten Magnetfeldes in der von der zweiten Spule 100b umspannten Fläche, d.h. der Toröffnungsfläche, reduziert. Außerhalb der von der zweiten Spule 100b umspannten Fläche bzw. der Toröffnungsfläche kann sich das Gegenfeld auf das Wechselfeld der ersten Spule 100a aufsummieren. Dadurch kann die Feldstärke außerhalb der zweiten Spule 100b erhöht werden, wohingegen die Feldstärke innerhalb der von der zweiten Spule 100b umspannten Fläche verringert wird. Dieser Zusammenhang wird nachfolgend anhand der Fig. 6 und 7 näher erläutert.

Fig. 6 zeigt das bereits anhand von Fig. 3 beschriebene Szenario in einer Seitenansicht. Fig. 6 zeigt eine erste Spule 100a und eine zweite Spule 100b, wobei die erste Spu- Ie 100a in einem Bereich hinter dem Tor 200 angebracht ist und die zweite Spule 100b näher an dem Tor 200 als die erste Spule 100a oder mit dem Tor 200 identisch angebracht ist. In dem in Fig. 6 gezeigten Szenario befindet sich die

zweite Spule 100b in einem Leerlaufbetrieb, d.h. es kann kein Strom durch die Spulenwindungen fließen. Die erste Spule 100a hinter dem Tor wird derart angesteuert, dass sie ein magnetisches Wechselfeld mit einer vorbestimmten Fre- quenz erzeugt. Die dadurch entstehenden Feldlinien sind durch das Bezugszeichen 300 in Fig. 6 angedeutet. Befindet sich die zweite Spule 100b in dem Leerlaufbetrieb, so kann sich das Magnetfeld der ersten Spule 100a ungestört ausbreiten und es ergibt sich ein „ungestörter" Feldlinienver- lauf, wie er exemplarisch in Fig. 6 angedeutet ist.

Wird die zweite Spule 100b, welche am bzw. im Torrahmen des Tores 200 angebracht ist, hingegen in einem Kurzschlussbetrieb verwendet, so wird, wie im Vorhergehenden bereits be- schrieben wurde, von der zweiten Spule 100b ein Gegenfeld zu dem ersten Magnetfeld der ersten Spule 100a erzeugt. Dadurch ergibt sich in einer näheren Umgebung der zweiten Spule 100b ein Feldlinienverlauf, wie er schematisch in Fig. 7 gezeigt ist.

Durch die geringe Impedanz der zweiten Spule 100b im Torrahmen wird durch den induzierten Strom ein Gegenfeld erzeugt, welches die von der zweiten Spule 100b umspannte Fläche idealerweise feldfrei sein lässt. Der ideale Fall ergibt sich genau dann, wenn die zweite Spule 100b eine Spulenimpedanz Z _sp =0 aufweist. Dieser ideale Fall wird in der Praxis jedoch nicht zu realisieren sein, wodurch in der von der zweiten Spule 100b umspannten Fläche lediglich eine Abschwächung des ersten Magnetfeldes zu erzielen ist, vor- zugsweise um wenigstens 20%. Die Kompensierung bzw. die Abschwächung des von der ersten Spule 100a erzeugten magnetischen Feldes ist nahe den Spulenwindungen, d.h. dem Torpfosten, der Querlatte und der Torlinie am stärksten und ermöglicht es somit, extrem genau festzustellen, ob der Ball 230 innerhalb oder außerhalb des Tores 200 ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nur die erste Spule 100a hinter dem Tor

200 zur Felderzeugung verwendet. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, kann das magnetische Wechselfeld der ersten Spule 100a in der zweiten Spule 100b einen Strom erzeugen, der seiner Ursache, dem ersten Magnetfeld, entge- genwirkt. Der Strom wird gemäß Ausführungsbeispielen nur dann ausreichend erzeugt, wenn die zweite Spule 100b kurzgeschlossen ist und eine niedrige Impedanz aufweist. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Spulenimpedanz der zweiten Spule in einem relevanten Fre- quenzbereich (500 Hz bis 5 kHz) in einem Impedanzbereich zwischen 0 und 100 Ohm.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann ein elektronischer Schalter zum periodischen Kurzschließen der zweiten Spule 100b verwendet werden.

Wenn sich der Ball 230 in der Torebene befindet, wird er, je nach dem, ob der Schalter geschlossen ist oder nicht, ein unterschiedliches magnetisches Feld messen. Ist der Schalter offen, wird der Magnetfeldsensor in dem Ball 230 ein ungestörtes magnetisches Feld der ersten Spule 100a messen, das in der Tormitte des Tores 200 am stärksten ist und zu den Torrändern hin in charakteristischer Weise abfällt, wie es Vorhergehenden bereits beschrieben wurde. Ist der Schalter geschlossen, so wird der Magnetfeldsensor des Balls 230 in der Tormitte ein niedrigeres Feld messen, außerhalb der von der zweiten Spule 100b umspannten Fläche wird ein stärkeres Feld gemessen. Zudem kann eine änderung der Feldrichtung beim Schließen bzw. öffnen des Schalters gemessen werden. Nach jedem Messzyklus stehen gemäß Ausführungsbeispielen also drei Messwerte zur Verfügung, mit deren Hilfe sehr genau berechnet werden kann, ob und wo der Ball die Torebene durchquert hat. Beispielsweise lässt sich anhand der Feldstärken sagen, ob sich der Ball vor bzw. hinter der Torlinie 210 befindet, und mit der änderung der Feldrichtung lässt sich eine Aussage darüber treffen, ob der Ball nahe bei eines der Seitenpfosten 200a, b, nahe der Querlatte 200c oder nahe der Torlinie 210 die Toröffnungs-

fläche durchquert hat. Ferner kann durch den sehr großen Signalunterschied bzw. Feldstärkenunterschied am Rand des Tores 200 bei geschlossenem Schalter festgestellt werden, ob der Ball 230 knapp am Tor 200 vorbei ist oder nicht.

Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass eine E- lektronik im Ball 230 relativ einfach ausgestaltet sein kann, da hier nur eine Frequenz, nämlich die Frequenz der ersten Spule 100a, gemessen wird und keine Frequenzunter- Scheidung zwischen erstem und zweitem Magnetfeld notwendig ist.

Wird lediglich eine Information darüber benötigt, ob der Ball 230 die Torlinie 210 innerhalb der von der zweiten Spule 100b umspannten Fläche überschritten hat oder nicht, so kann das erfindungsgemäße Konzept zum Bereitstellen dieser Information verwendet werden. Dazu ist gemäß Ausführungsbeispielen eine Vorrichtung zum Auswerten ausgebildet, um aus Informationen über einen zeitlichen Verlauf eines von dem beweglichen Objekt 230 erfahrenen Magnetfeldes einen Hinweis darauf zu liefern, ob das bewegliche Objekt 230 die Torebene durchquert hat. Dabei kann sich die Vorrichtung zum Auswerten innerhalb des Balls 230 oder außerhalb, beispielsweise in einem Personal Computer befinden. Die Vorrichtung zum Auswerten ist ferner ausgebildet, um die Toraussage mittels einer Ableitung des zeitlichen Verlaufs des Magnetfeldes nach der Zeit zu liefern, wobei die Ableitung des zeitlichen Verlaufs des Magnetfeldes nach der Zeit zum Zeitpunkt des überschreitens der Torlinie zumindest nä- herungsweise gleich Null ist. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 8 gezeigt.

Fig. 8 zeigt einen Verlauf der magnetischen Feldstärke in der Nähe des Tores 200 bei kurzgeschlossener Sekundärspule 100b und ein magnetisches Wechselfeld erzeugender Primärspule 100a. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, wird innerhalb der von der zweiten Spule 100b umspannten Fläche durch das magnetische Gegenfeld eine Reduzierung

des Magnetfeldes der ersten Spule 100a erreicht. Demnach wird ein bewegliches Objekt 230, das sich im Torraum auf das Tor 200 zu bewegt, einen zeitlichen Feldstärkeverlauf erfahren, wie er in Fig. 8 exemplarisch gezeigt ist.

Aus positiver x-Richtung kommend, wird der Ball zunächst einen ansteigenden Feldstärkeverlauf 800 erfahren, der abfällt, wenn der Ball die von der zweiten Spule 100b umspannte Fläche, d.h. die Toröffnungsfläche, durchquert. In diesem Moment weist der zeitliche Feldstärkeverlauf ein lokales Minimum 810 auf. Nach dem Durchqueren der Toröffnungsfläche in negativer x-Richtung wird der Feldstärkeverlauf wieder ansteigen, so wie es in Fig. 8 dargestellt ist, um schließlich hinter der ersten Spule 100a wieder abzufal- len.

Es kann also gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Torentscheidung aufgrund einer Detektierung eines Minimums des zeitlichen Magnetfeldverlaufs herbeige- führt werden. Die Bedingungen für ein Minimum des zeitlichen Verlaufs der Magnetfeldstärke lauten d|H|/dt = 0 und d ² 1 H I /dt ² > 0, wobei sich der Betrag |H| der magnetischen Feldstärke aus den von dem Magnetfeldsensor gemessenen Komponenten (H _x , Hy, H _z ) eines Magnetfeldes in einem Raumpunkt gemäß IHI = (H _x ² + H _y ² + H _z ² ) ^1/2 berechnen lässt. Mit einer von dem Ball 230 gesendeten Sequenz von Magnetfeldmesswerten und einer entsprechenden Logik können die beiden vorgenannten Bedingungen also stets überprüft werden.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Kriterium für eine Entscheidung über ein Tor auch ein Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung d | H | /dt sein. Beim Durchqueren des Maximums des Magnetfeldverlaufs wird im Allgemeinen ein Vorzeichenwechsel von „-" nach „+„ erfolgen, da die Magnetfeldstärke bei Annäherung an die Torlinie 210 erst abnimmt um nach überqueren dieser wieder zuzunehmen.

Zusätzlich können weitere Ereignisse aus dem Verlauf der ersten Ableitung d | H | /dt des zeitlichen Verlaufs der Magnetfeldstärke erschlossen werden. Besitzt die erste Ableitung zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Unstetigkeitsstel- Ie, so kann davon ausgegangen werden, dass der Ball beispielsweise einen Seitenpfosten bzw. die Querlatte berührt hat.

Um Mehrdeutigkeiten ausräumen zu können, kann beispielswei- se zusätzlich eine Dopplerfrequenz, die durch eine Bewegung des beweglichen Objekts 230 auf das Tor 200 zu oder von ihm weg auftritt, ausgewertet werden.

Dabei kann die Vorrichtung zum Auswerten ausgebildet sein, um die Toraussage durch Vergleichen der Messwerte der Sequenz von Messwerten mit vorab bestimmen Werten, die beispielsweise in einer Lookup-Table gespeichert sind, zu erhalten.

Ein Verfahren zum Treffen einer Torentscheidung basierend auf Informationen über eine Position eines beweglichen Objekts in einem Torraum gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist zusammenfassend in Fig. 9 gezeigt .

In einem ersten Schritt Sl ist der Schalter der zweiten Spule 100b geöffnet (Leerlaufbetrieb) , wobei eine Messung eines ungestörten Magnetfeldes der ersten Spule 100a im Torraum von dem beweglichen Objekt bzw. Ball 230 durchge- führt wird. In einem zweiten Schritt S2 wird der Schalter der zweiten Spule 100b geschlossen (Kurzschlussbetrieb) , um eine Messung des Gesamtmagnetfeldes aus dem Magnetfeld der ersten Spule 100a und dem Gegenfeld der zweiten Spule 100b durchzuführen. In einem dritten Schritt S3 kann eine Tor- entscheidung basierend auf den Messwerten aus den Schritten Sl und S2 getroffen werden.

Abschließend geben Fig. 10 und Fig. 11 nochmals einen überblick über ein System zum Ermitteln von Informationen über eine Position eines beweglichen Objekts 230 in einem Torraum, wobei Fig. eine Frontansicht und Fig. 11 eine Seiten- ansieht darstellt.

Fig. 10 zeigt eine Frontansicht eines Tores 200, hinter dem sich eine erste Spule 100a befindet. Eine zweite Spule 100b ist näher an dem Tor 200 als die erste Spule 100a oder mit dem Tor 200 identisch angebracht. Die beiden Spulen 100a, b sind mit einer Einrichtung 240 zum Erzeugen von Spulenaktivierungssignalen für die zwei Spulen 100a, b mit einem Frequenzmultiplexverfahren verbunden. Ein Spulenaktivierungssignal ist dabei ein Strom oder eine Spannung. Fig. 10 zeigt ferner ein bewegliches Objekt 230 bzw. einen Ball, welcher über eine Funkverbindung 1020 mit einer Vorrichtung 1030 zum Auswerten der Information über das Magnetfeld verbunden ist.

Fig. 11 zeigt eine weitere Seitenansicht eines Tores 200, einer hinter dem Tor 200 angebrachten ersten Spule 100a und einer identisch mit dem Tor 200 angebrachten zweiten Spule 100b. Ein Ball 230 kann beim Durchqueren der Torebene ein magnetisches Wechselfeld 1100 der ersten 100a und/oder zweiten Spule 100b detektieren, wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde.

Die Vorrichtung 1030 zum Auswerten ist gemäß Ausführungsbeispielen ausgebildet, um aus Informationen über einen zeitlichen Verlauf eines von dem beweglichen Objekt 230 erfahrenen Magnetfeldes einen Hinweis darüber zu liefern, ob das bewegliche Objekt 230 die Torebene durchquert hat.

Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst der Ball 230 eine Vor- richtung zum Liefern einer Information über das Magnetfeld, in dem sich das bewegliche Objekt 230 befindet, welche einen Magnetfeldsensor umfasst. Die Vorrichtung zum Liefern ist ausgebildet, um sowohl Informationen über das von der

ersten Spule 100a erzeugte Magnetfeld als auch Informationen über das von der zweiten Spule 100b erzeugte Magnetfeld zu liefern. Dazu weist sie beispielsweise ein elektrisches Filter auf, um die magnetischen Wechselfelder frequenzmäßig separieren zu können. Der Ball 230 umfasst ferner einen Sender zum Senden von wenigstens einem Messwert, und eine Steuerung zum Steuern des Magnetfeldsensors oder des Senders, so dass Magnetfeldmesswerte gesendet werden können. Dabei ist der Magnetfeldsensor ein dreidimensionaler Mag- netfeldsensor, der beispielsweise mittels Hall-Sensoren o- der magnetoresistiven Elementen aufgebaut sein kann.

Das bewegliche Objekt bzw. der Ball 230 benötigt ferner eine Energieversorgungseinrichtung zur Energieversorgung. Die Energieversorgung kann beispielsweise durch eine Batterie im Ball 230 gewährleistet werden. Um eine lange Lebensdauer der Energieversorgung des Balls zu gewährleisten, ist es ferner beispielsweise möglich, diesen aktivieren und deaktivieren zu können. Dies sollte vorzugsweise im Hinblick darauf geschehen, möglichst wenige Eingriffe in den Spielbetrieb notwendig zu machen. Der Ball 230 kann in der Nähe des Tors 200 über ein schwaches Signal aktiviert werden, welches beispielsweise von einem dafür ausgebildeten Sender einer zentralen Steuer-/Auswerteeinrichtung gesendet wird. Dazu weist der Ball beispielsweise einen Empfänger auf, der das Aktivierungssignal empfängt und daraufhin über einen Prozessor das Messsystem im Ball in der Nähe des Tors 200 aktiviert. Der Prozessor schaltet beispielsweise den Empfänger im Ball alle 100 Millisekunden kurz ein. Sobald das Aktivierungssignal vom Ball erkannt wird, geht der Ball in Dauerbetrieb.

Weiterhin kann als Aktivierungssignal auch das von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Magnetfeld benutzt werden. Kommt der Ball 230 in die Nähe des Tors 200, so wird dies durch den dreidimensionalen Magnetfeldsensor im Ball erkannt. Sobald dies der Fall ist, schaltet sich das Messsystem im Ball ein. Auch hier können beispielsweise die

Sensoren nur alle 100 Millisekunden kurzzeitig in Betrieb genommen werden.

Bei den beiden im Vorhergehenden beschriebenen Vorgehens- weisen wird eine Detektion immer nur kurz eingeschaltet, um Energie zu sparen. Wenn der Ball 230 über sehr lange Zeit, beispielsweise einen Tag, kein Signal mehr erkennt, wird ein Timer zur Detektion beispielsweise auf zehn Sekunden hochgestellt. Dadurch kann der Energieverbrauch nochmals drastisch gesenkt werden. Da beispielsweise der Zustand einer Batterie im Ball abgefragt werden kann, ist sichergestellt, dass ein Timer im Ball bei Spielbeginn wieder beispielsweise auf 100 Millisekunden gestellt ist.

Wenn sich leitfähige Objekte (auch Personen) in einem Magnetfeld bewegen, dann kann in diesen Objekten ein Magnetfeld induziert werden. Dieses Magnetfeld könnte die Feldgeometrie des erzeugten Magnetfeldes beeinflussen. Bei einem Fußballspiel bewegen sich die Spieler allerdings nicht so schnell, als dass eine merkliche Induktion hervorgerufen werden könnte. Der Ball 230 allerdings Geschwindigkeiten von bis zu 140 km/h erreichen. Deshalb ist bei einer Implementierung vorzugsweise darauf zu achten, dass die Elektronik in dem Ball 230 möglichst klein ist und keine großen leitfähigen Flächen aufweist.

Ein Einfluss auf das erzeugte magnetische Feld durch sich in der Nähe des Tors 200 befindliche Stromkabel ist relativ gering. Ein Stromkabel weist zumeist einen Hin- und einen Rϋckleiter auf, so dass sich die Magnetfelder des Hin- und Rückleiters gegenseitig aufheben. Selbst bei Einzelleitern wäre der Einfluss relativ gering, da bei einer Netzfrequenz von 50 Hz die Feldeinwirkung einer leichten änderung des Erdmagnetfeldes gleichkommen würde.

Das beschriebene System ist in Richtung senkrecht auf die Torebene durch das Messen der Feldstärke des von der ersten Spule 100a erzeugten Feldes sehr genau. Längs der Torebene

wird nur eine sehr geringe Feldänderung des magnetisches Feldes von der ersten Spule 100a gemessen. Durch die vorzugsweise niedrige Impedanz der zweiten Spule 100b wird dem Feld der ersten Spule 100a ein sehr starker Signalunter- schied aufgeprägt, der sich gerade an so wichtigen Stellen wie den Pfosten 200a, b bzw. der Querlatte 200c befindet. Dadurch ist es möglich, diese kritischen Positionen fehlerfrei zu entscheiden. Wird lediglich eine Information darüber benötigt, ob ein bewegliches Objekt bzw. ein Ball 230 die Torlinie 210 innerhalb des Tores 200 überschritten hat, so kann durch die Betrachtung des zeitlichen Verlaufs von Feldstärkemessungen und durch die Detektion eines Minimums des zeitlichen Verlaufs eine Torentscheidung getroffen werden.

Fig. 12 zeigt einen Querschnitt durch einen Torpfosten mit Kabelkanälen. Am hinteren Teil des Torpfostens befindet sich ferner die Tornetzaufhängung nach z. B. nach Art einer Gardinenhalterung ausgeführt sein kann. Die Kabelschächte sind symmetrisch gefertigt, damit ein und derselbe Torpfosten für den linken und den rechten Pfosten gefertigt werden kann. So wird es bevorzugt, den äußeren Schacht mit einem Kabel zu versehen, um ein Spule zu erhalten, mit der das Magnetfeld erzeugt werden kann. Der inneren Schacht bleibt dann leer. Die Torlatte kann nur einen einzigen Schacht haben, der oben bezüglich des Tors angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Schacht so dimensioniert, dass er gerade so groß ist, dass ein Kabel eingeführt werden kann, dass jedoch die Position des Kabels im Schacht so gut als möglich vorgegeben ist und von Tor zu Tor nur wenig abweichen wird.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das

entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah- rens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder MikroController abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Compu- ter und/oder MikroController abläuft.