211service.com
Hur en uppfinnare du förmodligen aldrig har hört talas om formade den moderna världen
Många av uppfinnarna som drev den digitala revolutionen har blivit kända namn. Och det med rätta. Innovatörer som Steve Jobs, Bill Gates och Mark Zuckerberg bidrog alla kraftfullt till den teknik som har förändrat vårt dagliga liv och vårt samhälle.
Men om du inte är ingenjör har du förmodligen aldrig hört talas om den briljante uppfinnaren Rudolf Kálmán, en ingenjör och matematiker född i Budapest som dog den 2 juli i Gainesville, Florida, vid 86 års ålder. Hans grundläggande bidrag, en algoritm som kallas Kalmanfiltret möjliggjorde många viktiga tekniska landvinningar under de senaste 50 åren. Dessa inkluderar flyg- och rymdsystem som datorerna som landade Apollo-astronauter på månen, robotfordon som utforskar vår värld från djuphavet till de yttre planeterna och nästan alla ansträngningar som behöver uppskatta tillståndet i världen från bullriga data. Någon beskrev en gång hela GPS-systemet – en jordomslutande konstellation av satelliter, markstationer och datorer som ett enormt Kalman-filter.
Inom sitt yrkesliv var Kálmán välkänd och mycket beundrad, mottagare av många utmärkelser och utmärkelser. 2009 gav president Obama honom National Medal of Science. Om du har studerat någon form av robotik, styrning eller rymdteknik under de senaste fyra decennierna, så var Kálmáns eponyma filter lika grundläggande för ditt arbete som Pythagoras sats är för gymnasieelever som förbereder sig för SAT.
Här är varför. Kontrollingenjörer vet att du bara kan kontrollera vad du kan mäta. Ju mer exakt du kan mäta det, desto bättre kan du kontrollera det.
Tänk på utmaningen för ingenjörerna som hade till uppgift att designa Apollos flygdatorer i början av 1960-talet. Datorernas rådata – mätningar från sensorer som gyroskop, accelerometrar och radar – var i sig bullriga, fulla av slumpmässiga fel och röriga felaktigheter. När du kör mot en stenig måne i hög hastighet kan dessa fel förstöra din dag.
På något sätt måste du kunna filtrera bort detta brus från mätningarna och göra bästa möjliga uppskattning av var du är och hur snabbt du rör dig. Du måste också veta hur bra eller dåliga dina uppskattningar är, i statistisk mening, eftersom det kan vara katastrofalt att tro att du gör det bättre än du faktiskt är. Och allt detta måste hända på bråkdelar av en sekund när rymdfarkosten rusar mot månen, försöker en månlandning eller trä nålen på en ingångskorridor när den regnar jordens atmosfär.
Det var där Rudolf Kálmán kom in. Han publicerade en genialisk rekursiv uppskattningsalgoritm 1960. Filtret skulle uppnå målet att noggrant uppskatta och förutsäga kritiska variabler som plats, riktning och hastighet i närvaro av bullriga mätningar, och till och med uppskatta bruset . Andra, som cybernetikuppfinnaren Norbert Wiener, hade tagit itu med problemet tidigare, men Kálmán skräddarsydde sin lösning för den framväxande världen av digitala datorer och realtidsbehandling.
När Apollo 11-månmodulen, som kontrolleras av Neil Armstrong och ett mjukvaruprogram, gjorde sin hjärtstoppande landning på Sea of Tranquility, såg Kalman-filtret till att positionsdata i realtid som kom från jordbaserad radarspårning överensstämde nära med de ombordvarande sensorer. Lyssna på banden och du kommer att höra Buzz Aldrin ropa Kalman-filtrets uppskattningar när Armstrong landade.
Nästan samma beräkning, med moderniserade Kalman-filter, sker rutinmässigt i din mobiltelefon. Telefonens GPS-sensor ger verkliga koordinater på jordens yta, medan dess accelerometrar känner av snabba, små rörelser. Var och en har brus och felaktigheter av olika typer; Kalman-filtret kombinerar dem för det bästa av två världar. Kör din bil in i en tunnel, till exempel, och du tappar GPS, men Kalman-filtret uppnår fortfarande ganska bra dödräkning tills du kommer ut på andra sidan och får en ny GPS-fix.
Men det är bara början på den inverkan som Rudolf Kálmáns arbete kommer att ha på världen. Inom det kommande decenniet kommer Kalman-filtret att fungera i konsumentteknologier som kommer att förändra ditt liv på lika djupgående sätt.
Samma väglednings- och navigeringsproblem som Apollo-ingenjörer ställdes inför för 50 år sedan – hur man lokaliserar objekt exakt i rymdens storhet – utmanar ingenjörer idag när de designar självkörande bilar som kan navigera säkert i smarta städer, datorspel med augmented reality, och robotkompisar att arbeta på fabriksgolvet och i ditt hem.
Alla dessa uppfinningar kräver exakt information, vad vi kallar mikrolokalisering, i vissa fall ner till millimeter, för att säkerställa att dina självkörande bilar parkerar i ditt garage och inte på din gräsmatta, att ditt virtuella spelheadset får dig att flyga och inte kräkas , och att din betrodda robotkamrat häller upp kaffe i din kopp och inte i ditt knä. Det betyder miljoner och kanske miljarder Kalman-filter.
Men så finns det sakernas internet, den efterlängtade infrastrukturen för en uppkopplad, smart framtidsvärld. Sakernas internet kommer att kräva Kalman-filter i biljoner av smarta föremål för att vägleda dem till var och när vi vill ha dem, på våra arbetsplatser, i våra hem och på andra ställen i våra liv.
Då kanske Kálmán äntligen kommer att ansluta sig till Jobs, Gates och Zuckerberg som ett känt namn.
David Mindell är professor vid MIT och grundare av Humatics, ett mikrolokaliseringsföretag i Cambridge, Massachusetts, som använder Kálmán-filtret. Frank Moss, en alumn från MIT Instrumentation Laboratory som byggde Apollo-datorerna, är en tidigare chef för MIT Media Lab och styrelseledamot på Humatics.