211service.com
Hvordan en opfinder, du sandsynligvis aldrig har hørt om, formede den moderne verden
Mange af de opfindere, der gav næring til den digitale revolution, er blevet kendte navne. Og det med rette. Innovatorer som Steve Jobs, Bill Gates og Mark Zuckerberg bidrog alle stærkt til de teknologier, der har transformeret vores dagligdag og samfund.
Hvis du ikke er ingeniør, har du dog sandsynligvis aldrig hørt om den geniale opfinder Rudolf Kálmán, en Budapest-født ingeniør og matematiker, der døde den 2. juli i Gainesville, Florida, i en alder af 86. Hans grundlæggende bidrag, en algoritme kaldet Kalman-filteret, muliggjorde mange væsentlige teknologiske landvindinger gennem de sidste 50 år. Disse omfatter rumfartssystemer såsom computere, der landede Apollo-astronauter på månen, robotkøretøjer, der udforsker vores verden fra dybhavet til de ydre planeter, og næsten enhver bestræbelse, der skal estimere verdens tilstand ud fra støjende data. Nogen beskrev engang hele GPS-systemet - en jordomkransende konstellation af satellitter, jordstationer og computere som ét enormt Kalman-filter.
Inden for sit professionelle samfund var Kálmán velkendt og højt beundret, modtageren af adskillige priser og hædersbevisninger. I 2009 tildelte præsident Obama ham National Medal of Science. Hvis du har studeret nogen form for robotteknologi, kontrol eller rumfartsteknik i de sidste fire årtier, så var Kálmáns eponyme filter lige så grundlæggende for dit arbejde, som Pythagoras sætning er for gymnasieelever, der forbereder sig til SAT.
Her er hvorfor. Kontrolingeniører ved, at du kun kan kontrollere, hvad du kan måle. Jo mere præcist du kan måle det, jo bedre kan du kontrollere det.
Overvej den udfordring, som de ingeniører, der havde til opgave at designe Apollo flyvecomputere, stod over for i begyndelsen af 1960'erne. Computernes rå data - målinger fra sensorer såsom gyroskoper, accelerometre og radarer - var i sagens natur støjende, fulde af tilfældige fejl og rodet unøjagtigheder. Når du løber mod en stenet måne med høj hastighed, kan disse fejl ødelægge din dag.
På en eller anden måde skal du være i stand til at filtrere denne støj fra målingerne og lave det bedst mulige skøn over, hvor du er, og hvor hurtigt du bevæger dig. Du skal også vide, hvor gode eller dårlige dine estimater er i statistisk forstand, da det kan være katastrofalt at tro, at du gør det bedre, end du faktisk er. Og alt dette skal ske på brøkdele af et sekund, mens rumfartøjet suser mod månen, forsøger en månelanding eller tråder nålen på en indgangskorridor, mens det regner over Jordens atmosfære.
Det var her Rudolf Kálmán kom ind i billedet. Han udgav en genial rekursiv estimeringsalgoritme i 1960. Filteret ville nå målet om nøjagtigt at estimere og forudsige kritiske variabler såsom placering, retning og hastighed i nærvær af støjende målinger og endda estimere støjen . Andre, såsom kybernetikopfinderen Norbert Wiener, havde taklet problemet før, men Kálmán skræddersyede sin løsning til den nye verden af digitale computere og realtidsbehandling.
Da Apollo 11 månemodulet, styret af Neil Armstrong og et softwareprogram, lavede sin hjertestoppende landing på Sea of Tranquility, sikrede Kalman-filteret, at positionsdata i realtid fra jordbaseret radarsporing stemte overens med de ombordværende. sensorer. Lyt til båndene, og du vil høre Buzz Aldrin råbe Kalman-filterets estimater, da Armstrong landede.
Næsten den samme beregning, med moderniserede Kalman-filtre, sker rutinemæssigt inde i din mobiltelefon. Telefonens GPS-sensor giver koordinater i den virkelige verden på jordens overflade, mens dens accelerometre registrerer hurtige, små bevægelser. Hver har støj og unøjagtighed af forskellige typer; Kalman-filteret kombinerer dem til det bedste fra begge verdener. Kør for eksempel din bil ind i en tunnel, og du mister GPS, men Kalman-filteret opnår stadig ret god dødregning, indtil du kommer ud på den anden side og får en ny GPS-fix.
Men det er kun begyndelsen på den indflydelse, som Rudolf Kálmáns arbejde vil have på verden. Inden for det næste årti vil Kalman-filteret være på arbejde i forbrugerteknologier, der vil ændre dit liv på lige så dybtgående måder.
De samme vejlednings- og navigationsproblemer, som Apollo-ingeniører stod over for for 50 år siden – hvordan man kan lokalisere objekter præcist i det store rum – udfordrer ingeniører i dag, når de designer selvkørende biler, der kan navigere sikkert i smarte byer, augmented-reality computerspil, og robotkammerater til at arbejde på fabriksgulvet og i dit hjem.
Alle disse opfindelser kræver præcis information, det vi kalder mikrolokalisering, i nogle tilfælde helt ned til millimeter, for at sikre, at dine selvkørende parkeringspladser i din garage og ikke på din græsplæne, at dit virtual reality gaming headset får dig til at flyve og ikke kaste op. , og at din betroede robotkammerat hælder kaffe i din kop og ikke på dit skød. Det betyder millioner og måske milliarder af Kalman-filtre.
Men så er der tingenes internet, den længe ventede infrastruktur i en tilsluttet, smart fremtidens verden. Tingenes internet vil kræve Kalman-filtre i billioner af smarte objekter for at guide dem til hvor og hvornår vi vil have dem, på vores arbejdspladser, i vores hjem og andre steder i vores liv.
Så vil Kálmán måske endelig slutte sig til Jobs, Gates og Zuckerberg som et kendt navn.
David Mindell er professor ved MIT og grundlægger af Humatics, et mikrolokaliseringsfirma i Cambridge, Massachusetts, der bruger Kálmán-filteret. Frank Moss, en alumne fra MIT Instrumentation Laboratory, der byggede Apollo-computere, er tidligere direktør for MIT Media Lab og bestyrelsesmedlem i Humatics.