Fahren im offenen Regelkreis

Hier ist ein verlockender Plan: Um ein Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Meter zu fahren, gib viermal den Befehl „vorwärts für 5 Sekunden, 1,5 Sekunden nach links drehen“. Wir haben die Formeln berechnet, also sollte der Roboter ein perfektes Quadrat zeichnen. Führt man den Plan mit einem echten Roboter aus, schließt sich die Form fast nie. Der Roboter landet ein paar Zentimeter von seinem Startpunkt entfernt oder noch schlimmer.

Diese Art der Steuerung nennt man offenen Regelkreis: Die Befehle werden im Voraus berechnet und gesendet, und nichts misst, was tatsächlich passiert ist. Das Gegenteil ist der geschlossene Regelkreis, der Rückkopplung verwendet (die Schleife aus der ersten Lektion). Ein offener Regelkreis funktioniert gut, wenn die Welt vorhersehbar ist. Roboter bewegen sich nur selten in einer vorhersehbaren Welt.

Warum „derselbe Befehl“ zu unterschiedlichen Ergebnissen führt.

• Durchdrehende Räder. Auf einem glatten Boden, bei Staub oder auf einem Teppich kann sich ein Rad drehen, ohne den Roboter um die volle Strecke zu bewegen.
• Motoren sind keine Zwillinge. Zwei Motoren, die denselben Befehl erhalten, laufen normalerweise mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Ein winziger Geschwindigkeitsunterschied bedeutet, dass ω nicht genau null ist und die „gerade“ Strecke eine Kurve bildet.
• Die Batteriespannung sinkt, wenn die Ladung abnimmt, deshalb sind die Geschwindigkeiten bei demselben Befehl später niedriger.
• Radgröße und Spurbreite entsprechen nicht genau den Werten, die der Programmierer eingegeben hat. Ein Rad, das 1 Prozent größer ist, legt pro Umdrehung 1 Prozent mehr Entfernung zurück.
• Anfahren und Anhalten. Ein Roboter kann seine Geschwindigkeit nicht sofort ändern; er wird über einen kurzen Zeitraum schneller und langsamer, den der Plan nicht berücksichtigt hat.

Jeder dieser Faktoren ist klein. Das Problem ist, dass sich kleine Fehler addieren (Welt 2 macht das mit Zahlen deutlich).

Mach ein Gedankenexperiment. Angenommen, ein Richtungsfehler führt dazu, dass jede Anweisung „90 Grad nach links drehen“ mit 88 Grad ausgeführt wird. Nach vier Ecken hat sich der Roboter nicht um 360, sondern um 352 Grad gedreht. Die Bahn schließt sich also nicht: Der Roboter ist 8 Grad davon entfernt, in seine Ausgangsrichtung zu zeigen, und zusätzlich kommt noch der Positionsfehler dazu. Ein Roboter mit geschlossenem Regelkreis würde seine Richtung nach jeder Drehung mit einem Sensor messen und sich weiterdrehen, bis der Sensor 90 Grad anzeigt.

Die Lösung ist das Thema der nächsten Welten. Zuerst muss der Roboter schätzen, wo er sich befindet (Welt 2). Dann nutzt ein Regler den Unterschied zwischen „wo ich sein möchte“ und „wo ich glaube zu sein“, um sich selbst zu korrigieren (Welt 3). Sensoren für die Außenwelt kommen in Welt 4.