Glossar

Analogrechner

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.

Analoger Roboter

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.

BEAM Roboter

 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. 

Braitenberg Vehikel

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.

Konstante Helligkeitswahrnehmung

An das Phänomen der "Relativen Helligkeitswahrnehmunggeknüpft 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. 

Operationsverstärker (OP)

Ein Operationsverstärker (OP) ist ein integrierter elektronischer Baustein zur Verstärkung von Spannungen, der eine Vielzahl an Transistoren beinhaltet. Im Grunde ist auch ein HiFi-Audio-Verstärker meist nichts anderes als ein speziell beschalteter OP. Der Name „Operations“-Verstärker stammt aus einer Zeit, als Rechen-„Operationen“ (Addieren, Multiplizieren, Integrieren, Logarithmieren, ...) noch mit analogen Schaltungen durchgeführt wurden und nicht mit digitalen Prozessoren. Der OP-Ausgang kann Spannungen abgeben, die zwischen der pos. Batteriespannung und der neg. Batteriespannung liegen. Der OP verstärkt die Spannung, die zwischen seinen beiden Eingängen liegt (= die Spannungsdifferenz Udiff zwischen Uin+ und Uin-). Diese verstärkte Spannung erscheint dann am Ausgang man spricht von einem „Differenzverstärker“. Die Verstärkung bezeichnet man oft mit dem Formelzeichen „A“ (für Amplifikation). 

Relative Helligkeitswahrnehmung

Schachbrettversuch von Edward H. Adelson
Welches der Quadrate ist heller, A oder B?

Bei dem Schachbrettversuch von Edward H. Adelson  sieht es so aus, als sei Quadrat A dunkler als Quadrat B. Dieser Eindruck bleibt selbst dann bestehen, wenn wir uns der optischen „Täuschung“ bereits bewusst geworden sind. Die tatsächliche Helligkeit von Feld A und B ist jedoch die selbe.

Dieses Beispiel demonstriert eindrucksvoll, dass wir eine relative Helligkeitswahrnehmung besitzen. Unsere Wahrnehmung eines Objektes bezieht sich demnach immer auf die Helligkeit der Umgebung, die in diesem Beispiel durch den Schattenwurf des grünen Zylinders beeinflusst ist. Müssen wir hingegen die absolute Helligkeit vergleichen (wie bei diesem Experiment), so sind wir dazu kaum in der Lage.

Relative Sensorik

Die einfachste Methode eine relative Helligkeitsdetektion 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. Das neben abgebildete Vehikel verfügt über zwei kombinierte Helligkeitssensoren bzw. eine Sensorgruppe. Dabei wird das Verhältnis der beiden Helligkeiten gebildet. Der relative Sensorwert wirkt dabei auf die Geschwindigkeit des einen Motors verstärkend und auf die des anderen hemmend. Bei gleichmäßiger Beleuchtung drehen die Motoren gleich schnell.