Glossar

Analogrechner repräsentieren ihre Daten meist nicht als diskrete Werte wie die Digitalrechner, sondern als kontinuierliche – eben analoge – Größen, zum Beispiel in Form von geometrischen Längen, Winkeln, Wasserständen (Wasserintegrator), elektrischen Spannungen oder Strömen. Eine technische Realisierung von analogen Rechenelementen (Summierer, Integrierer und Multiplizierer) erfolgte später durch digitale Rechenelemente (Digital Differential Analyzers, DDA). Der große Vorteil von Analogrechnern gegenüber Digitalrechnern ist ihre Echtzeitfähigkeit sowie ihre prinzipbedingt hohe Ausführungsparallelität. Dies führt zu einer gegenüber algorithmisch programmierten Maschinen deutlich größeren Rechenleistung, die jedoch meist um den Preis einer geringen Rechengenauigkeit, die im besten Fall bei ca. 0,01 Prozent liegt, erkauft wird.

Vor der digitalen Revolution wurden elektronische Analogrechner technisch genutzt. Zum Beispiel zur Simulation von Flugbahnen von Artilleriegeschossen und Bomben, zur Untersuchung von Fragestellungen in der Reaktorphysik, in der Luft- und Raumfahrttechnik, jedoch auch in der Mathematik, der Simulation von Prozessen, bei der Optimierung, etc. Die Programmierung erfolgte dabei auf großen Schalttafeln mit Hilfe von Kabelbrücken.

Entsprechend können auch unsere mobilen Roboter gesteuert und mit einem frei konfigurierbaren Steckfeld programmiert werden.

Ein analoger Roboter verwendet analoge Schaltkreise, um einfache Ziele zu erreichen, die keine Planung erfordern. Die ersten analogen Roboter wurden 1948 von William Grey Walter gebaut. Sie waren bereits imstande Lichtquellen zu folgen und selbstständig eine Ladestation anzufahren, wenn die Batterie leer wurde.

In den 90er Jahren entwickelte allen voran der Physiker Mark Tilden viele analoge Roboter, die oftmals lediglich mit diskreten elektronischen Bauteilen aufgebaut waren. Nichtsdestotrotz waren sie im Stande, komplexe Bewegungen zu generieren. Weil die verwendeten Schaltkreise dabei biologische Neuronen nachahmen, hat sich für diese Konstruktionsweise der Begriff BEAM-Roboter etabliert: „BEAM“ steht dabei für Biologie, Elektronik, Aesthetisch und Mechanisch. Solche analogen Steuerungen sind zwar nicht so flexibel wie jene mit Mikroprozessoren, jedoch erfüllen sie die Aufgaben, für die sie vorgesehen sind meist sehr zuverlässig und effizient. Roboter die sowohl analoge Elektronik wie auch Prozessoren enthalten werden als „Mutanten“ bezeichnet. 

Noch bevor die BEAM-Roboter populär wurden und viele „Maker“ auf der ganzen Welt unterschiedlichste dieser kleinen Roboterwesen kreierten, veröffentlichte 1984 der Südtiroler Hirnforscher und Kybernetiker Valentin Braitenberg seine Gedankenexperimente zu den s.g. Braitenberg-Vehikel. Diese einfachen mit Sensoren ausgestatteten Roboter-Fahrzeuge reagieren autark auf Umweltreize. Durch eine direkte Kopplung der Aktoren (Antriebsmotoren) an die Sensoren werden die Antriebsräder gesteuert. Wenn auch die meisten realen Umsetzungen der Braitenberg-Vehikel fahrbar mit zwei Antriebsrädern ausgestattet sind, so könnten sie sich im Allgemeinen auch krabbelnd, schwimmend oder fliegend fortbewegen.

Es ist eine Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren einsetzbar, die z.B. Helligkeit, Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Schall, Magnetfelder usw. detektieren. Ein Sensor kann dabei mehrere Aktoren beeinflussen und die Art der Beeinflussung kann über beliebig komplexe mathematische Funktionen erfolgen. Bereits bei sehr einfachen Arten dieser Kopplung entstehen mehr oder weniger zielgerichtete Bewegungsvarianten, die vielfach mit Computerprogrammen simuliert wurden. Braitenberg zog Parallelen zu simplen biologischen Lebensformen und verglich die Verhaltensweisen seiner künstlichen „Wesen“ mit Emotionen wie Furcht, Aggression, Liebe oder Neugier.

In der Abbildung sind vier der klassischen Braitenberg-Vehikel zu sehen. Sie besitzen zwei Helligkeitssensoren auf der Vorderseite und die Abhängigkeit der Motoren von den Sensoren erfolgt linear. Wir variieren lediglich folgende zwei Parameter:

• Der jeweils gekoppelte Motor und Sensor liegt auf derselben Seite des Vehikels oder auf der gegenüberliegenden.
• der Einfluss des Sensors wirkt verstärkend („+“ je heller desto schneller) oder hemmend („─“ je heller desto langsamer).

An das Phänomen der "Relativen Helligkeitswahrnehmung" geknüpft ist die konstante Helligkeitswahrnehmung. Diese sagt folgendes aus: Unabhängig davon, ob in der Dämmerung oder bei Sonnenschein erscheint uns ein weißes Auto immer als weiß, weil unser visuelles System die Helligkeit automatisch mit jener der Umgebung vergleicht.

Eine derartige Wahrnehmung macht also durchaus Sinn, um sich in der Welt zurechtzufinden. Unser „Auge“ kann zwar nur Helligkeitsdifferenz von mehr als 10 % wahrnehmen, das jedoch auf einer unglaublich großen Skala im Bereich von  1:10 Milliarden. 

Die einfachste Methode eine relative Helligkeitsdetektion bei einem Roboter zu erreichen ist eine direkte physikalische Umsetzung. Dazu kombiniert man zwei oder mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Erfassungsbereichen in Gruppen. Anstatt absolute und unabhängige Helligkeitswerte, erhalten wir damit relative Helligkeitsinformationen über die Umgebung.

Unabhängig davon, ob man Fotowiderständen, Fotodioden oder Fototransistoren verwenden möchte, kann eine solche Kombination der Lichtsensoren am einfachsten durch deren Reihenschaltung als Spannungsteiler realisiert werden. Im Allgemeinen erhält man somit aus n Sensoren bis zu n-1 relative Helligkeitswerte. Detaillierte Informationen über Ausführungsformen derartiger Sensorgruppen sind in unserem Patent „Verbesserte Steuerung für sich autonom fortbewegende Roboter“ (Nr. DE 102013104578 B3) nachzulesen.