Stanford-Cart
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Translated by Valeria Aleksandrova

März 2011

Lies diese Seite in Rumänisch mit freundlicher Genehmigung von azoft.

Das Stanford-Cart hat eine 45jährige Karriere voller Höhen und Tiefen hinter sich. Geboren wurde es als Forschungsplattform, um das Problem zu studieren, wie ein Mondfahrzeug von der Erde aus zu kontrollieren sei. Dann wurde es neu konfiguriert, um als Roboterfahrzeug für Forschungen in der visuellen Navigation zu dienen, und ging danach für einige Jahre ins Showgeschäft. Inzwischen residiert es in einem Heim für pensionierte Roboter im Computer History Museum, während es auf sein Comeback wartet.

Stanford Cart mit Kabel, 1961

1960-61: Das erste Stanford-Cart wurde vom Graduate-Student in Maschinenbau James L. Adams unterstützend zu seiner Forschung konstruiert, die sich mit dem Problem befasste, ein entferntes Fahrzeug per Videoinformationen zu kontrollieren. Er hatte im Jet Propulsion Laboratory am NASA-Projekt „Project Prospector“ gearbeitet, dessen Verfahrensweise auf der Annahme beruhte, jemand auf der Erde könnte, per TV-Kamera und Radio-Kontroll-Link, ein Fahrzeug auf dem Mond herumsausen lassen. Adams aber zeigte, dass diese Annahme falsch war.

Das Cart besaß vier kleine Fahrrad-Räder mit elektrischen Motoren, die von einer Autobatterie angetrieben wurden, und trug eine Fernsehkamera mit starrer, nach vorn gerichteter Sicht. Die Versuche wurden sowohl mit Zweiradsteuerung, wie bei einem Auto, durchgeführt, als auch mit Vierradsteuerung, wobei Räder und Kamera zusammen herum schwenken. Mit einem sehr langen Kabel war das Cart mit einer Kontrollkonsole verbunden, die einen Fernsehbildschirm und Steuerungen für Richtung und Geschwindigkeit besaß. Eine magnetische Bandschleife erlaubte es, Zeitverzögerungen bei den Steuerungskommandos zu variieren, um Kommunikationsverzögerungen zu simulieren.

Adams erforschte die Kontrollierbarkeit des Gefährt bei gleichzeitiger Vermeidung von Hemmnissen aus verschiedenen Kombinationen von Kommunikationsverzögerungen und Geschwindigkeit. Wenn Steuerungskommandos durch Kommunikationskommandos verzögert werden, hat der Steuernde die Tendenz, zu übersteuern und die Kontrolle zu verlieren. Neben anderen Dingen zeigte Adams in seiner Dissertation, dass bei einer, dem Hin- und Rückweg zum Mond entsprechenden, Kommunikationsverzögerung (etwa 2 ½ Sekunden), das Gefährt bei einer Geschwindigkeit von mehr als 0,2 mph (0,3 km/h) nicht verlässlich kontrolliert werden könnte.

Stanford-Cart mit Radiolinks, 1963

1962-63: Der Graduate-Student im Maschinenbau Paul W. Braistedt erdachte einen Plan, die Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs zu verbessern, indem er einen analogen Computer hinzufügte, der als Prädiktor die vorangehenden Steuerungskommandos bedachte und einen hellen Punkt auf den Fernsehbildschirm setzte, um den berechneten Zielort zu markieren, wenn ein akutes Steuerungskommando wirkte. Mit diesem Zusatz konnte das Gefährt bei 5 mph (8 km/h) kontrolliert werden. Dennoch gab es eine fundamentale Begrenzung bei der Teleoperation, die darin bestand, dass – wenn die Reise während der Zeitverzögerung größer ist als die Distanz zwischen dem Gefährt und einem unerkannten Hindernis – es keinen Weg gibt, einen Zusammenstoß zu vermeiden. Braiden stellte seine Dissertation 1963 fertig.

Nichtsdestotrotz wurde die unmittelbare Aussicht, diese Technologie anzuwenden, durch Präsident John F. Kennedys Ankündigung bemannter Mondmissionen (12. September 1962) verschoben.

Stanford-Cart bei SAIL

1964-71: Bewiesenermaßen verblieb das Cart ungenutzt in einem ME-Labor, bis 1966 Les Earnest, ein Forschungsgruppenleiter, der unlängst dem Stanford Artificial Intelligence Lab (SAIL) beigetreten war, es fand. Mit seinem Schöpfer James Adams sprach er ab, dass SAIL es nutzen konnte, um zu versuchen, auf den Straßen rings ums Labor unter Computerkontrolle durch visuelle Quellen zu navigieren. Jedoch waren die früher vorhandenen Radiolinks und anderen elektronischen Geräte inzwischen verschwunden, weswegen Les Earnest den Maschinenbau-Doktoranden Rodney Schmidt anheuerte, um einen Niedrigenergie-Televisionsüberträger und einen Radio-Kontroll-Link zu bauen, und das Projekt zur visuellen Führung zu übernehmen.

SAIL wurde eine experimentelle TV-Lizenz von der Federal Communications Commission für die Kanäle 22 und 23 bewilligt, und mit einem menschlichen Operator, der das Cart über den Computer und Fernsehbilder kontrollierte, begannen experimentelle Versuche. Prof. John McCarty begann zu dieser Zeit, sich für das Projekt zu interessieren und übernahm als Direktor von SAIL die Aufsicht. Mithilfe des KA10-Prozessors, der mit etwa 0,65 MIPS lief, konnte Schmidt das Cart schließlich dazu bringen, automatisch einer hochkontrastierten weißen Linie unter kontrollierten Lichtbedingungen mit etwa 0,8 mph (1,3 km/h) zu folgen. Schmidt schloss seine Dissertation 1971 ab.

Stanford Cart mit Slider, 1979

1971-80: Der Doktorand Bruce Baumgart und einige andere Graduate-Studenten experimentierten mit dem Cart, bevor sie zu anderen Dissertationsthemen wechselten. Während dieser Zeit wechselte das Cart von einer vierrädrigen zu einer zweirädrigen Steuerung. Hans Moravec, der extra nach Stanford gekommen war, um im Bereich der visuellen Navigation zu arbeiten, blieb bei diesem Thema. Im Oktober 1973 erlitt er allerdings einen Rückschlag, als das Cart von einer Abfahrtsrampe stürzte, während es unter manueller Kontrolle war, und Batteriesäure in die gesamte Elektronik drang.

Moravec konnte den Roboteringenieur Victor Scheinmann im Jahr 1977 dafür anwerben, einen „Slider“ zu bauen, ein mechanisches Drehgelenk, das die Fernsehkamera von einer Seite zur anderen bewegte und verschiedene Ansichten erlaubte, ohne, dass das Cart sich bewegen musste. Mit dem damals verfügbaren, mit etwa 2,5 MIPS laufenden KL10-Prozessor, konnte Moravec schließlich Binokularoptik nutzen, um in einer kontrollierten Umgebung langsam um Hindernisse herum zu navigieren. Das Cart bewegte sich jeweils einen Meter vorwärts, um dazwischen zehn bis fünfzehn Minuten die aufgenommenen Bilder zu verarbeiten und die Route zu planen. Im Jahr 1979 durchquerte das Cart erfolgreich einen mit Stühlen vollgestellten Raum, ohne menschliche Hilfe in etwa fünf Stunden. Moravec schloss seine Dissertation 1980 ab, und hier gibt es ein kurzes Video: Das Cart in Aktion.

1980-2000: Nachdem SAIL 1980 geschlossen wurde, wanderte das Cart in den Speicher, bis 1987 eine Anzahl ausgemusterter Robotergeräte, auf Anfrage des Bostoner Computer Museum, zu einer von Oliver Strimpel zusammengestellten neuen Ausstellung geschickt wurden. „The Smart Machins Theater“, später in „Robot Theater“ umbenannt, war eine Sammlung dieser Artefakte auf der Bühne, sequenzweise beleuchtet, wobei einige sich in diesen Momenten des Ruhms tatsächlich bewegten. Sie waren mit einem Video synchronisiert und bewiesen, dass sogar alte Roboter eine zweite Karriere im Showgeschäft machen können.

2000-heute: Nachdem das Boston Museum geschlossen wurde, wurden die Roboter und anderen Artefakte an seinen Nachfolger, das Computer History Museum in Mountain View, Kalifornien, gesendet. Bis heute ruht das Cart dort. Es wird wahrscheinlich in einer zukünftigen Ausstellung wieder auferstehen.

Nachfolger

Das moderne SAIL unter der Leitung von Sebastian Thrun entwickelte ein Robotergefährt namens Stanley, welches 2005 die DARPA-Challenge gewann – ein Rennen durch die Wüste von Nevada.

Danksagung

Dank geht an James Adams, Bruce Baumgart, Hans Moravec und Oliver Strimpel für ihre Informationen oder das Prüfen von früheren Versionen dieser Schilderung.

Quellen

Die folgenden Dissertationen an der Stanford University resultierten aus der Forschung mit dem Stanford-Cart:

[1] Adams, James Lowell: Remote control with long transmission delays, Doktorgrad in Maschinenbau, 1961.

[2] Braisted, Paul Wilder: Study of a predictor for remote control systems operating with signal transmission delays, Doktorgrad in Maschinenbau, 1963

[3] Schmidt, Rodney Albert, Jr.: A study of the real-time control of a computer-driven vehicle, Doktorgrad in Elektrotechnik, 1971.

[4] Moravec, Hans Peter: Obstacle avoidance and navigation in the real world by a seeing robot rover, Doktorgrad in Computerwissenschaften, 1980.